干涉和衍射

干涉和衍射是所有波的特征现象，从水波到电磁波（如光）。

干涉是指两个相同类型的波重叠以产生更大、更低或相同振幅的合成波的现象。

衍射定义为波围绕障碍物或孔径的拐角的弯曲。在这种情况下，波的差分部分会相互干扰并导致大振幅和小振幅的空间交替。

本视频将通过观察衍射和干涉图案来演示光的波动性质。

波是空间和/或时间中某个物理量的振幅振荡。干涉是与波相关的最典型的现象之一。

波的不同部分可以重叠和"干涉"，以产生强波和弱波振幅的空间交替，称为干涉图。当干扰波的振幅相加时，称为相长干涉;而当它们的振幅相互减去时，称为相消干涉。

现在，如果波长为 lamda 的光照射在单个狭窄的狭缝上，则远离狭缝的强度在大值和小值之间交替或几乎为零，对应于"亮"和"暗"区域，也称为"条纹"。此图案的中心始终是明亮的，沿狭缝的 y 轴。

这种交替被称为光通过小孔径的"衍射图案"。这是波浪的特征现象。具体来说，光圈的两个边缘之间的点？re-emit"，或者换句话说，将光波"衍射"到不同的方向。

衍射光波不同部分之间的干涉导致衍射图样的形成。

在两个紧密间隔的狭缝的情况下，形成的图案，著名的"杨氏双缝干涉图案"，是由于来自两个狭缝的衍射光的干涉。以下协议演示了如何设置单缝和双缝实验并解释其结果。

收集实验所需的材料和仪器，包括波长为 ~633nm 的氦氖激光笔、几把薄剃须刀片、铝箔、纸板、尺子、一把剪刀、一块木头和激光护目镜。

用一把剪刀将铝箔剪成两个大约 2 英寸 x 2 英寸的方形块。此外，将纸板切成两块大约 3 英寸 x 3 英寸的方形块，中间有一个直径约 1 英寸的孔。

接下来，取一块铝箔，用剃须刀片在铝箔中间切出一条约 1 厘米长的直缝。将箔纸粘在一块纸板上，狭缝位于孔内。

现在，将纸板的一个边缘粘在木块上，然后将白墙从缝隙中滑出约 30 厘米。确保纸板垂直于桌面，孔和垂直缝露出来，并面向墙壁。

将激光指示器放在已安装的纸板的另一侧，同时确保激光束与桌子平行。现在戴上激光护目镜，打开激光笔，将激光束照射到狭缝上。

关掉房间的灯，观察铝箔另一侧墙壁上的光纹。关闭激光指示器并取下激光护目镜。

接下来，堆叠三个剃须刀片，使中间刀片凹陷。取另一张铝箔，用一叠剃须刀片和尺子切出两个紧密间隔的笔直平行狭缝，在箔的中间约 1 厘米长。现在将箔纸粘在另一块纸板上，然后像以前一样将其粘在木块上。

戴上激光安全护目镜，打开激光指示器，将激光束照射到双狭缝上。关掉房间的灯，观察铝箔另一侧墙壁上的光纹。最后，关闭激光指示器。

协议完成后，现在让我们回顾一下单缝和双缝实验的结果。在单缝实验中，在墙上观察到的光图案表现出特征性的衍射条纹。在 y 方向上，中央亮条纹的宽度大约是其他亮条纹的两倍，后者的宽度都大致相同。

此外，亮条纹的强度沿 y 轴从中心衰减到外围条纹。这对于单狭缝衍射花样来说是意料之中的，因为来自激光的平行光线在狭缝处弯曲并建设性地重叠，形成明亮的条纹，并在两者之间形成破坏性的暗带。

在双缝实验中，在墙上观察到的光图案表现出特征性的干涉条纹。

这些干涉条纹比衍射图案的明亮区域窄得多。这是因为狭缝间分离 'd' 比狭缝宽度 'a' 大得多，并且是狭缝间分离的倒数控制了干涉条纹的宽度。但是，狭缝宽度 'a' 的倒数控制衍射条纹的宽度。

光的衍射和干涉在确定光是电磁波方面起着至关重要的作用。因此，这些效应在许多基于光学和光子学的技术中都很重要。

激光衍射光谱学是一种利用激光束穿过任何物体（尺寸从纳米到毫米）的衍射图案来快速测量粒子几何尺寸的技术。

传感器用于检测激光的角度，然后使用计算机根据产生的光能及其布局来检测物体的颗粒大小。

干涉测量法是一种利用波的叠加和干涉来精确测量距离、小位移、折射率变化和表面不规则性的技术。

这里，两个频率相同但路径长度不同的波相互干扰，从而产生干涉图案。然后，可以使用此模式对未知参数进行精确测量。LIGO 或激光干涉仪引力波天文台也使用了相同的干涉测量技术，这是为探测引力波而建造的巨大探测器。

您刚刚观看了 JoVE 对光的衍射和干涉的介绍。您现在应该能够理解衍射和干涉光图案形成背后的理论，这已通过单缝和双缝实验进行了证明。感谢观看！