當(dāng)兩個(gè)攜帶能量的波相遇并重疊時(shí)會(huì)發(fā)生干擾。它們攜帶的能量混合在一起，因此，您得到的不是兩個(gè)波，而是第三波，其形狀和大小取決于原始兩波的模式。當(dāng)波像這樣合并時(shí)，該過(guò)程稱(chēng)為疊加。

您是否曾經(jīng)做過(guò)一種當(dāng)下報(bào)紙難題，您必須使用兩個(gè)非常相似的卡通來(lái)找到缺失的細(xì)節(jié)？解決這些問(wèn)題的快速方法是切出兩個(gè)圖像，將一個(gè)圖像放置在另一個(gè)圖像的上方，然后在紙上照亮光線。這聽(tīng)起來(lái)像是在作弊，但這實(shí)際上是科學(xué)：您正在使用一幅圖像的光線模式來(lái)顯示另一幅圖像的差異?？茖W(xué)家使用一種非常類(lèi)似的過(guò)程稱(chēng)為干涉測(cè)量法，通過(guò)比較光束或無(wú)線電束，以極高的精度測(cè)量微小物體。

激光干涉儀。激光束分為兩部分。一部分直接進(jìn)入檢測(cè)器，而另一部分則發(fā)生某種變化。通過(guò)在末端再次比較兩個(gè)光束，您可以非常精確地測(cè)量變化的程度。圖片由NASA格倫研究中心（NASA-GRC）提供。

什么是干涉？

要了解干涉測(cè)量法，您需要了解干涉。在日常生活中，干擾只是意味著妨礙或干預(yù)，但在物理學(xué)中，干擾具有更具體的含義。當(dāng)兩個(gè)攜帶能量的波相遇并重疊時(shí)會(huì)發(fā)生干擾。它們攜帶的能量混合在一起，因此，您得到的不是兩個(gè)波，而是第三波，其形狀和大小取決于原始兩波的模式。當(dāng)波像這樣合并時(shí)，該過(guò)程稱(chēng)為疊加。

如果您曾經(jīng)坐在浴缸中揮舞著波浪，那么您會(huì)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的干涉和疊加。如果來(lái)回推動(dòng)您的手，您可以將能量波從水的中心傳遞到浴缸的壁上。當(dāng)波浪到達(dá)墻壁時(shí)，它們從硬表面彈回的大小或多或少?zèng)]有改變，但速度相反。每次波浪都會(huì)從浴缸中反射出來(lái)，就像您在墻上踢了一個(gè)橡皮球一樣。一旦海浪回到您的手所在的位置，您可以通過(guò)與海浪同步移動(dòng)來(lái)使海浪更大。實(shí)際上，您將創(chuàng)建新的波形，將其添加到原始波形中并增加其峰值（振幅）的大小。當(dāng)波加在一起形成更大的波時(shí)，科學(xué)家稱(chēng)之為相長(zhǎng) 干涉。如果以其他方式移動(dòng)手，則可以創(chuàng)建與原始波浪不同步的波浪。當(dāng)這些新波添加到原始波中時(shí)，它們會(huì)從它們中減去能量并使它們變小。這就是科學(xué)家所說(shuō)的破壞性干涉。

兩種類(lèi)型的干擾。 相長(zhǎng)干涉意味著將兩個(gè)或多個(gè)波組合起來(lái)以獲得更大的第三波。新波具有相同的波長(zhǎng)和頻率，但振幅更大（峰值更高）。 破壞性干擾是指波相減并抵消。一波的峰值被另一波的波谷抵消。

一個(gè)波與另一個(gè)波同步的程度稱(chēng)為其相位。如果兩個(gè)相同的波“同相”，則意味著它們的峰對(duì)齊，因此，如果將它們加在一起，我們將得到一個(gè)新的波，其大小是原始波的兩倍，但在其他方面卻完全相同。同樣，如果兩個(gè)波完全異相（我們稱(chēng)之為反相），則一個(gè)波的峰值與另一個(gè)波的波谷恰好重合，因此將波加在一起不會(huì)給您帶來(lái)任何好處。

在這兩個(gè)極端之間，還有其他各種可能性，其中一部分波動(dòng)是 與對(duì)方同相。像這樣添加兩個(gè)波浪，將產(chǎn)生第三個(gè)波浪，其波峰和波谷的形態(tài)各不相同。將這樣的波浪照射到屏幕上，您會(huì)得到一種稱(chēng)為干涉條紋的亮暗區(qū)域特征圖案。該圖案是您使用干涉儀研究和測(cè)量的圖案。

干涉儀如何工作？

干涉儀是一種非常精確的科學(xué)儀器，旨在以超乎尋常的精確度測(cè)量事物。

干涉儀的基本原理是將一束光（或其他類(lèi)型的電磁輻射）用所謂的分光鏡（也稱(chēng)為半透明鏡或半鏡）將其分成兩半。這只是一塊表面涂有很薄銀的玻璃。如果你向它照射光線，一半的光線直接通過(guò)，一半的光線反射回來(lái)--所以分光鏡就像一塊普通玻璃和一面鏡子之間的交叉。其中一束光（稱(chēng)為參考光束）照射到鏡子上，然后從那里照射到屏幕、相機(jī)或其他探測(cè)器上。另一束光照到或通過(guò)您要測(cè)量的東西，照到第二面鏡子上，再通過(guò)分光鏡，照到同一個(gè)屏幕上。這第二道光束與第一道光束有一段額外的距離（或以其他一些稍微不同的方式），所以它的步幅會(huì)稍微偏離（相位偏離）。

一個(gè)基本的（邁克爾遜）干涉儀是如何工作的。如果我們把綠色光束作為參考光束，我們會(huì)讓藍(lán)色光束受到某種我們想要測(cè)量的變化。干涉儀將兩束光結(jié)合在一起，屏幕上出現(xiàn)的干擾邊緣是它們之間差異的視覺(jué)表現(xiàn)。

當(dāng)兩道光束在屏幕上相遇時(shí)，它們會(huì)發(fā)生重疊和干涉，它們之間的相位差就會(huì)形成一個(gè)亮區(qū)和暗區(qū)的圖案（換句話說(shuō)，就是一組干涉條紋）。亮區(qū)是兩個(gè)光束相加（建設(shè)性）而變得更亮的地方；暗區(qū)是兩個(gè)光束相減（破壞性）的地方。干擾的確切模式取決于其中一束光束所走過(guò)的不同方式或額外距離。

干擾邊緣不是落在一個(gè)簡(jiǎn)單的屏幕上，而是通常將其導(dǎo)入相機(jī)，以產(chǎn)生一個(gè)稱(chēng)為干涉圖的永久圖像。在另一種安排中，干涉圖是由一個(gè)探測(cè)器（如老式數(shù)碼相機(jī)中使用的CCD圖像傳感器）制作的，該探測(cè)器將波動(dòng)的光學(xué)干涉條紋模式轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可以非常容易地用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

干涉儀有哪些不同類(lèi)型？

干涉儀在19世紀(jì)末開(kāi)始流行，有幾種不同的類(lèi)型，每種都大致基于我們上面概述的原理，并以完善該原理的科學(xué)家命名。六種常見(jiàn)的類(lèi)型是Michelson， Fabry-Perot， Fizeau， Mach-Zehnder， Sagnac和Twyman-Green干涉儀。

由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的塞繆爾·斯特拉頓博士于1907年設(shè)計(jì)的Fabry-Perot型干涉儀，用于測(cè)量霓虹燈的波長(zhǎng)。圖片由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院數(shù)字收藏所提供

Michelson干涉儀（以Albert Michelson命名，1853年-1931年），因?yàn)樗?881年著名的Michelson-Morley實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮的作用。當(dāng)時(shí)，Michelson和他的同事Edward Morley （1838-1923）推翻了一種被稱(chēng)為 “乙醚 ”的神秘隱形液體的存在，物理學(xué)家們認(rèn)為這種液體充滿(mǎn)了空洞的空間。Michelson-Morley實(shí)驗(yàn)是愛(ài)因斯坦相對(duì)論的重要踏腳石。

Fabry-Perot干涉儀（1897年由1867-1945年的Charles Fabry和1863-1925年的Alfred Perot發(fā)明），也被稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)工具，由邁克爾遜干涉儀演變而來(lái)。它可以使邊緣更清晰、更銳利，更容易觀察和測(cè)量。

Fizeau干涉儀（以法國(guó)物理學(xué)家Hippolyte Fizeau命名，1819-1896年），它是另一種變體，并且通常比Fabry-Perot更容易使用，被廣泛用于光學(xué)和工程測(cè)量。

Mach-Zehnder干涉儀（由德國(guó)人Ludwig Mach和瑞士人Ludwig Zehnder發(fā)明）使用兩個(gè)分束器代替一個(gè)分束器，產(chǎn)生兩個(gè)輸出光束，可以分別進(jìn)行分析。它廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)，這是它最初開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。

Sagnac干涉儀（以法國(guó)物理學(xué)家Georges Sagnac的名字命名）將光分成兩束，以相反的方向繞著一個(gè)封閉的環(huán)形或環(huán)形（因此它的另一個(gè)名字是環(huán)形干涉儀）。它廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航設(shè)備中，如環(huán)形激光陀螺儀（使用激光束代替旋轉(zhuǎn)輪的光學(xué)版陀螺儀）。

Twyman-Green干涉儀（由Frank Twyman和Arthur Green于1916年開(kāi)發(fā)）是一種改進(jìn)的Michelson，主要用于測(cè)試光學(xué)設(shè)備。

大多數(shù)現(xiàn)代干涉儀都使用激光，因?yàn)樗绕胀ü飧幸?guī)律，更精確，并且產(chǎn)生相干光束（其中所有的光波都以相位方式傳播）。干涉儀的先驅(qū)們沒(méi)有機(jī)會(huì)使用激光（直到20世紀(jì)中期才開(kāi)發(fā)出來(lái)激光），所以他們不得不使用通過(guò)狹縫和透鏡的光束來(lái)代替。

光纖干涉儀。大多數(shù)干涉儀通過(guò)露天的光束，但當(dāng)?shù)氐臏囟群蛪毫ψ兓袝r(shí)會(huì)成為誤差的來(lái)源。激光（紅色，12）通過(guò)透鏡（灰色，16a/b）將其光束射入一對(duì)光纖電纜中。其中一條（藍(lán)色，18）成為參考光束，將其光線直接反射到屏幕（橙色，22）上。另一個(gè)（綠色，20）允許其光束從被測(cè)量的東西（如振動(dòng)表面）反射到第三條電纜（綠色，30）。參考光束和反射光束相遇，并以通常的方式在屏幕上進(jìn)行干涉。作品由美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局提供。

干涉儀的精度如何？

先進(jìn)的干涉儀可以測(cè)量1納米以?xún)?nèi)的距離（十億分之一米，大約是10個(gè)氫原子的寬度），但是像其他任何類(lèi)型的測(cè)量一樣，它也容易出錯(cuò)。誤差的最大來(lái)源可能是激光波長(zhǎng)的變化，這取決于激光穿過(guò)的材料的折射率。空氣中的溫度，壓力，濕度和不同氣體的濃度都會(huì)改變其折射率，從而改變通過(guò)它的激光的波長(zhǎng)，并可能導(dǎo)致測(cè)量誤差。

幸運(yùn)的是，好的干涉儀可以彌補(bǔ)這一點(diǎn)。有些使用單獨(dú)的激光來(lái)測(cè)量空氣的折射率，而另一些使用激光來(lái)測(cè)量空氣的溫度，壓力，濕度，間接計(jì)算對(duì)折射率的影響；無(wú)論哪種方式，都可以校正測(cè)量值，并將總誤差降低到百萬(wàn)分之一或二分之一。

干涉儀有什么用？

干涉儀廣泛用于各種科學(xué)和工程應(yīng)用中，以進(jìn)行精確測(cè)量。通過(guò)在物體上掃描干涉儀，您還可以繪制非常詳細(xì)的表面圖。

正在使用的干涉測(cè)量法：這些加利福尼亞州長(zhǎng)谷的3D地形圖是使用航天器使用稱(chēng)為雷達(dá)干涉測(cè)量法的技術(shù)制成的，其中微波束從地球的輪廓反射出來(lái)，然后重新組合。圖片由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（NASA-JPL）提供。

光學(xué)（基于光的）干涉儀所產(chǎn)生的干涉邊緣是由光波以微小的步幅傳播而產(chǎn)生的。由于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在數(shù)百納米，理論上干涉儀可以測(cè)量比人的頭發(fā)小幾百倍的長(zhǎng)度。實(shí)際上，日常實(shí)驗(yàn)室的限制有時(shí)會(huì)使這種精度難以實(shí)現(xiàn)。例如，Albert Michelson發(fā)現(xiàn)他的乙醚檢測(cè)儀器受到了大約三分之一公里外的交通流量的影響！

天文學(xué)家還使用干涉儀來(lái)組合來(lái)自望遠(yuǎn)鏡的信號(hào)，因此它們的工作方式與更大、更強(qiáng)大的儀器一樣，可以深入太空。其中一些干涉儀使用光波工作；另一些則使用無(wú)線電波（類(lèi)似于光波，但波長(zhǎng)更長(zhǎng)，頻率更低）。

凱克干涉儀。凱克干涉儀 天文學(xué)家已經(jīng)將夏威夷莫納克亞（Mauna Kea）上這些圓頂上的兩臺(tái)10米（33英尺）的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，使之成為一個(gè)有效的、更強(qiáng)大的單一望遠(yuǎn)鏡。照片由美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（NASA-JPL）提供。

干涉測(cè)量法還幫助我們弄清引力的秘密。2017年，三位美國(guó)物理學(xué)家（Rainer Weiss，Barry Barish和Kip Thorne）因發(fā)現(xiàn)引力波（“時(shí)空漣漪”）而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，該發(fā)現(xiàn)最初是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦早在一個(gè)多世紀(jì)前就預(yù)測(cè)到的。

他們的實(shí)驗(yàn)叫LIGO（激光干涉儀引力波觀測(cè)站），使用兩個(gè)非常大的激光干涉儀，臂長(zhǎng)4公里（2.5英里），分別位于美國(guó)兩端相距3000公里（1800英里）的兩個(gè)不同地方（華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓）。

此外，兩個(gè)相對(duì)較新的應(yīng)用是生物傳感裝置（使用所謂的質(zhì)子干涉儀）和量子計(jì)算機(jī)。