四、几个著名的干涉实验方法分析

由光的干涉规律可知，为了观察到稳定的光的干涉现象，就必须创造

特殊的条件．这些条件可归结为：在任何瞬时到达观察点的，应该是从同一批原子发射出来但经过不同光程的两列光波（例如反射或折射等方法）．各原子的发光尽管迅速的改变，但任何位相改变总是同时发生在两列波中，因而它们到达同一观察点时总是保持着不变的位相差，只有经过这样特殊装置的两束光才是相干的．所以历史上进行的一些著名的光的干涉实验都是采用以上的实验设计原理进行设计实验的．

杨氏干涉实验

托马斯·杨在 1801 年以极其简单的装置和巧妙的构思，做到了用普通光源来实现光的干涉．这一实验设计，不仅是许多其它光的干涉实验的装置原型，在理论上还可以从中得到许多重要的概念和启发．

杨氏干涉实验装置如图所示．让光源照射到开有小孔 S 的不透明的遮光板（称为光阑）上，后面置有另一块光阑，开有两个小孔 S1 和 S2．从针孔 S1 和 S2 中发出的两组球面光波互相干涉，结果在屏幕 D 上形成一个对称而强度有变化的图样．若用单色光作光源，则在屏幕上可以观察到干涉图样．当时杨氏利用了惠更斯对光的传播所提出的次波假设（即惠更斯原理）解释了这个实验．

后来为了提高干涉的亮度，实验中 S、S1、S2 用三个相互平行的狭缝，即称之为杨氏双缝干涉．并且可以用目镜代替屏幕进行直接观测．在激光出现后，用激光作光源进行实验，则在屏幕可观察到稳定清晰的干涉条纹，还可用目镜放大或用照相机摄像．在杨氏实验装置中一般要求双孔间距 d 在 0.1mm～1mm 之间，横向观测范围在 1cm～10cm 之间，幕与双孔屏的间隔在 1cm～10cm 之间．

从杨氏实验中可以得出，从同一列波的波面上取出的两个次波源，总是相干的，后来的一切分波阵面干涉装置的设计思想都是源于杨氏这一精巧的构思．杨氏在分析干涉条纹的特征时推得：双孔干涉条纹的间距：

λD

△x' = d

即光的波长为：

λ = △x' ·d

杨氏由此式算出了光的波长，这是人类历史上第一次由实验测得的光的波长．而且杨氏干涉实验在光学发展上是一个决定性的判决实验，由此导致了光的波动理论复兴的开端．

菲涅耳双棱镜实验

1817 年法国物理学家菲涅耳设计进行了著名的菲涅耳双棱镜实验，如图：缝光源 S 发出的光经过一个顶角α很小（约 1°左右）的薄棱镜 P，借助于棱镜的折射，将自 S 发出的光束分为两束 ac 和 bd，并沿不同方向传播，这两束光好像自图中所示的虚光源 S1 和 S2 发出的一样，在两束光重叠的 bc 区域产生干涉条纹．测量出由双棱镜所产生的干涉条纹宽度△ x，则可由下式计算出光波的波长

λ = △x·d

L1 + L2

式中 L1 和 L2 分别为光源及屏幕到棱镜P 的距离d 为两虚光源S1 和S2 之间

的距离，△x 为幕上相邻两个条纹的距离．接着菲涅耳又完成了两束光干涉的双面镜实验．

迈克耳逊干涉仪

一种用分光束法产生双光束干涉的精密光学仪器．是由美国物理学家迈克耳逊在 1881 年提出，故名．如图所示，从单色广光源 S 发出来的光，在平行平面玻璃板 G1 上镀有一薄层银的半反射面 A，光在 A 上分成光强近于相等的两束，它们分别从平面镜 M1、M2 上反射回到 A 而重新会合，在透镜 L2 的焦平面 F 上形成等倾条纹．M2 是固定的，而 M1 安装在一个可以平移调节的座架上．通常在 G1 与 G2 之间放一块与 G1 相同且与 G1 平行的补偿板 G2·当 M1 与 M2 对 A 面互成镜象关

系时在A面会合的两分光束光程差等于零．图中M¹ 是M 在A半反射面

中的像，故在 F 上的等倾条纹可以看作是在反射面 M1 和虚反射面 M'2 之间的平行空气层上产生的．条纹的形状是以焦点为中心的同心圆．M1 向 M'2 移近λ/2，则向中心收缩一个条纹；反之移远λ/2，则在中心冒出一个条纹．测出条纹变化的数目，就可计算 M1 移动的距离．迈克耳逊曾用此仪器做了如下三个重要实验：1887 年测量以太漂移的迈克耳逊莫雷实验； 1892 年首次系统地研究光谱线的精细结构；1895 年首次直接将光的波长与标准米进行比较．

迈克耳逊干涉仪的设计是光的干涉现象的典型应用．