如果将两块玻璃板叠在一起,用一张纸撑起上层玻璃板的一端,就会形成一个气楔,此时如果入射光从玻璃板上方垂直入射,入射光会分别从气楔的上下表面反射,两束反射光之间就会发生干涉,从而产生明暗交替的条纹。
以上就是楔形干涉的基本过程。很多同学读到这里都会有一个疑问:两块玻璃板一共有四个面,那么至少会有四束反射光,也就是图1中的反射光1、2、3、4(图中有所夸张,其实由于倾斜角theta很小,入射光和四束反射光应该基本重合)。为什么反射光2和反射光3一定要发生干涉呢?其他反射光就不能发生干涉吗?
图1
一个很粗略的解释是,楔形干涉是一种薄膜干涉物理资源网,而薄膜干涉只有在界面足够“薄”的时候才会发生。1、2、3、4四个界面中,只有2、3两个界面靠得足够近波的干涉,才能形成一层薄膜,从而产生干涉。由于玻璃板本身的厚度不小(几毫米甚至几厘米),其他任何两个界面都不能算作“薄膜”,因此不可能发生“薄膜干涉”。但为什么只有“薄膜”才能产生干涉呢?本文试图详细回答这个问题。
1.光源发射的复杂性
如果你在一个房间里放置两个频率相同的音叉,那么当你在房间里走动时波的干涉,你会在某些地方听到较大的声音,而在其他地方听到较小的声音。这是因为声波在房间里会互相干扰。干扰较强的地方声音较大,干扰被抵消的地方声音较小。但如果你在房间里放置两盏相同的灯,比如在教室里放置两盏荧光灯,为什么你看不到教室里的灯光在明暗之间交替变化呢?这要从光源的复杂性说起。
我们以普通光源(这里的普通光源是指除激光光源之外的荧光灯、白炽灯、太阳光等普通光源)为例。受机械波知识的影响,很多人认为光波是一成不变的、连续的、相位稳定的(如图2-a所示),但事实上并非如此。发光的本质是受激发的原子或分子跃迁到较低能级时发射出光子。这个过程持续时间很短,大约为几秒。在这极短的时间内,只能发射出有限长度、一定频率、一定相位的光波,这被称为波列(如图2-b所示)。每次跃迁都是相互独立的,因此同一个原子或分子连续发射的两个波列的振动方向、相位甚至频率都是无规则的。综上所述,光源中原子或分子发射的光波并不是连续的,而是断断续续、部分组成的,每个波列称为一个波列。
图 2
图2无法充分展示两列波之间的不规则性,因此我们用3D图来进一步说明。图3-a、b和c显示了两列波之间的频率、振动方向和相位的差异。