干涉

相干波叠加产生的强弱分布现象
干涉(interference)是指当两列波的波源满足振动方向相同、频率相等且在空间各点位相差恒定的条件时,这两列波在空间某些点的振动始终加强,而另一些点振动始终减弱甚至完全抵消的现象。[11][10]干涉的产生源于波的叠加原理与其空间、时间相干性[12][13]波的叠加原理是指,几列波在空间某点相遇时,该点的振动就是各列波单独存在时所引起该点振动的叠加。[12]空间相干性是指,任何光源由许多不相干的点光源组成,各个点光源产生的干涉条纹会互相叠加。[13]而时间相干性是指,由于光源发光的间歇性,干涉条纹也会不同。[13]
1801年,英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young)在杨氏双缝干涉实验中发现光的干涉现象,证明了光的波动性。[9][10]1909年,英国物理学家杰弗里·泰勒(Geoffrey Taylor)重新设计双缝实验,发现单个光子也会发生干涉现象。[9]1961年,美国物理学家费曼(Feynman)提出了用电子来做双缝干涉实验的设想。2012年,内布拉斯加大学林肯分校的物理系研究团队实现了费曼设想的双缝干涉实验,观测到电子的干涉现象,演示出电子的波动性。[9]
在实验中,常采用分波阵面法或分振幅法获得相干光。[14]例如,杨氏双缝干涉实验、菲涅尔双棱镜干涉实验,劳埃镜实验等,均为分波阵面法。[15][16]薄膜干涉牛顿环实验、劈尖干涉等,均为分振幅法。[15]诸多仪器均利用干涉原理制成[3][8],例如迈克尔逊干涉仪[3]、测星干涉仪、马赫—曾德干涉仪等。[6][8]干涉现象还被应用在光纤通信、光学测量、天文测量、引力波测量等领域。[17][18][19][20]例如相干光通信系统实现了系统灵敏度高、通信速率受干扰少,可进行高密度波分复用的通信。[18]无线电干涉测量技术实现连续天体测量。[19]激光干涉引力波天文台在2015年9月14日直接探测到引力波。[17]

定义

干涉的概念最初始于牛顿经典力学中的机械波的相干叠加。当两列波的波源满足振动方向相同、频率相等且在空间各点位相差恒定的条件时,这两列波在空间某些点的振动始终加强,而另一些点振动始终减弱甚至完全抵消,这种现象称为干涉。[11][10]