淺談光的干涉和衍射的區別和聯系

陳祉尹

摘 要：光是物理研究的重要對象，但在高中階段對光的認識是有限的。光的干涉和衍射現象是光的波動性的表現，它們都是光振動的疊加，其本質是相同的。很多同學認為判別這兩種現象很難，本文將從多方面講解兩種現象的不同與相同之處。

關鍵詞：光的干涉 光的衍射 波面 光程差

中圖分類號：0415 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）02-0-01

光是一種電磁波，而干涉與衍射現象就是波動性的典型。若有幾列波同時在一介質中傳播，而且這幾列波在空間某點相遇，在其相遇的區域內，任何一點處質點的振動為各列波單獨在該點引起的振動的合振動，即在任一時刻，該點處質點的振動位移是各個波在該點所引起的位移的矢量和，這一規律稱為波的疊加原理[1]。

一、光的干涉

兩列或幾列光波在空間相遇時互相疊加，在某些區域始終加強，在另一些區域始終削弱，形成穩定的強弱分布的現象被稱作光的干涉。通常的獨立光源是不相干的，不同的原子輻射的光波波列的初相位之間是沒有一定規則的，這導致通常的探測儀器無法探測短暫的干涉現象。由于上世紀六七十年代激光的問世，光源的相干性大大提高。實現干涉的關鍵是保持光的相位差恒定，為了解決發光機制中初相位無規則迅速變化和干涉條紋形成要求相位差恒定的矛盾，解決辦法是將同一原子所發出的光波分解成兩列，使分光束通過不同的光程，這樣即使原始光源的初相位變化頻繁，相位差仍然穩定[2]。以楊氏雙縫干涉實驗為例，如圖1，圖中有D>>d，即屏幕到狹縫的距離遠遠大于雙縫間距，此時有。設兩光源的振動方程為，，在P點引起的振動方程為

二、光的衍射

光繞過障礙物偏離直線傳播而進入幾何陰影并在屏幕上出現光強不均勻分布的現象被稱作光的衍射。光的衍射現象是光的波動性的最直接有力的實驗證據。在研究波的傳播時，總是可以找到同相位各點的幾何位置，這些點的軌跡是一個等相面，叫做波面?；莞菇⒘嘶莞乖?，即任何時刻波面的每一點都可以作為子波的波源，各自發出球面子波。在以后的任何時刻，所有子波的波面的包絡形成整個波在該時刻的新的波面?；莞乖砟軐獾闹鄙?、反射和折射進行完美的解釋，但是由于不涉及波的時空周期特性，不能夠進行定量的研究。實際上，光的衍射是很細微的，需要能夠掌握空間中每一點的振幅，才能夠精確解釋衍射現象。菲涅耳對惠更斯的假設進行了補充，發展成為了菲涅耳—惠更斯原理，即波面上的每個面積元都可以看成新的波源，它們都發出子波。波面前空間某一點的振動可以由波面上所有面積元所發出的子波在該點疊加后的合振幅來表示。以單縫的夫瑯禾費衍射實驗為例，如圖2，線光源從S放在透鏡L1的主焦面上，從透鏡L1穿出的光線為一束平行光。設狹縫的寬度為a，平行光束垂直地照射到狹縫上，位于另一側的透鏡L2的焦平面處的平面上產生明暗相間的條紋。衍射圖樣是由同一波陣面上各點發出的子波在空間某點相遇時相干疊加形成的。衍射是無數個波束疊加的效應。。當，即時，在O點形成中央明紋，在P點出現暗紋的條件 ，（k=，…），除了中央明紋，其它各級明紋出現的條件是，（k=，…）。

三、干涉和衍射的區別和聯系

在光的干涉現象中，縫寬a<<，每個小縫相當于一個線光源，其發出的子波的振幅可以認為是均勻的，每個子波都是以直線傳播的模型來描寫的。光的干涉強調的是有限的幾列光波的相干疊加，疊加過程是對有限量的求和[3]。光的衍射則不然，縫寬a與波長可相比擬。由于波陣面上有無數個次級波，且這些波都是滿足相干條件的，所以光的衍射強調的是無數多個子波相干疊加，疊加過程是一個積分求和的過程?？傊?，干涉是有限光束的疊加，衍射是無限束光疊加的結果。

光的干涉和衍射現象雖然都能夠在屏幕上看到明暗相間的條紋，但是條紋明暗分布是不同的。在楊氏雙縫干涉實驗中，光的干涉是從雙縫發出的兩列等幅光波在屏幕上疊加，產生的干涉條紋是平行且寬度相同的，中央條紋和兩側的條紋是沒有區別的，且明暗程度也基本相當，即能量也是均勻分布的。在單縫衍射實驗中，光的衍射是從單縫產生了無數的子波，這些子波到達屏幕的時候相互疊加，產生的衍射條紋是中間亮條紋又寬又亮，兩側的條紋明顯變窄，且亮度也明顯減弱，能量分布明顯是不均勻的。

兩者也有相同之處，首先，兩種現象的本質都是波的疊加相干性，其次，兩者都是波的波動性的有力證明。本質上來說，兩者可以視為一個統一的現象，都是波場相干疊加的結果。干涉與衍射的圖像也有相似之處，都是明暗相間的條紋。

四、結論

光的干涉和遠射都是光的波動性的表現，都是光在遇到障礙物之后所表現出的光強分布不均勻現象，兩者之間既存在著相同的共性，也存在著不同的個性。由于光是一種波，遇到障礙物總要產生疊加效應，這對光的干涉和衍射來說是相同的，但是兩者又是區別的，光的干涉強調光沿直線傳播，由有限的相干波疊加，光的衍射強調光的非直線傳播，由無限的子波相干疊加。

參考文獻

[1]王瑋，孫家法. 從光程差看光的干涉與衍射現象的本質區別[J]. 淮北師范大學學報（自然科學版），2012，（01）：39-41.

[2]宣桂鑫. 光的干涉和衍射的區別和聯系[J]. 物理教學，2010，（11）：8-12.

[3]屈雙惠，侯維娜，楊志宏，馬志春. 光的干涉與衍射的區別與聯系[J]. 石家莊學院學報，2010，（06）：86-90.