光的干涉的研究历史及发展资料.docx

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光的干涉的研究历史及发展资料

本科生毕业论文（设计）

（2016）届

论文（设计）题目：

光的干涉的研究历史及发展

学院：

物理科学与技术学院

专业：

科学教育

学号：

************

******

指导老师姓名及职称：

秦子雄

光的干涉的研究历史及发展

专业：

科学教育学号：

************学生姓名：

罗舒雲指导老师：

秦子雄

【内容摘要】光的干涉在光学史上具有承上启下的重大意义，现代物理学中将光的干涉作为光的波动性的最具说服力的说法，光的干涉不仅反驳了坚不可摧的牛顿微粒说，奠定了波动说的基础，为之后光的偏振、衍射以及往后的光学研究等提供了理论依据。

所以说，光的干涉是一个值得深入研究的一个方向，本文主要写作方向是通过写光的干涉的提出背景、定义、原理的建立、解决的问题等来叙述光的干涉的研究历史及其发展，写作方法是翻阅书籍，查找相关文献，老师的指导等。

【关键词】光的干涉；托马斯·杨；历史；发展；

1绪论

1.1研究对象

光的干涉的研究历史及其发展

1.2研究意义

研究光的干涉的历史及其发展是一个非常有意义和价值的方向，首先，光的干涉是物理学史上的一个转折：

悍动了人们坚持了一个世纪之久的伟大的物理学家牛顿的“微粒说”，支持了惠更斯的“波动说”，证实了光是一种波，而非粒子。

光的干涉解决了测量波长，薄片的厚度和折射率以及发展到今天有各种干涉仪的精密测量和激光干涉收益了千家万户。

1.3写作思路

首先在毕业选题时我选题内容是有关光的干涉及其应用，首先我确定中心论点：

光的干涉，对于光的干涉的众多内容中，我写的主要重点放在：

光的干涉的物理学史上，在对内容提纲进行整理时进而确定了我的论文题目是：

光的干涉的研究历史及其发展，通过语言的提炼以及写法的比对和几次的修改，我的写作线索和思路定在了光的干涉的提出背景定义、原理起源的建立、解决的问题及其应用几个方面进行撰写论文。

1.4研究方法

写论文的过程中我主要用了查找文献资料法和导师指导这两种方法。

检索和查阅国内外有关光的物理学史的相关书籍，把相关光的物理学史上的相关光的干涉的内容的历史背景、研究成果的内容大致看了一遍并记录，通过书本了解了光的干涉之后然后进行写作。

在写作过程中，在本人定下论文题目后，拟大纲的时候在导师的细心指导下修改了大纲所写的偏离主题的情况，接着我继续修改后，导师发现了中心不突出的问题,指出并给出相关提示，在我完成此篇毕业论文的写作的过程中非常感谢我的导师秦子雄的细心指导。

2提出背景——微粒说和波动说之争

2.1牛顿：

微粒说

在17世纪的时候，对于光的性质的说法，英国著名物理学家且享有皇家协会会长在光学上有显著成就的科学巨人牛顿（IsaacNewton，1643-1727）是这样认为的：

光的微粒说是光像一粒粒子弹一样的一束粒子流，而且它是本身能自行发光的物体发出来的光发出来的微粒，所以进入我们的眼睛时，是能发光发亮的，在传播的过程中保持着一定的速度。

[1]1672年，他发表的《关于光和色的新理论》的论文里提出了他的光的本质微粒说。

牛顿的“微粒说”深入浅出阐明了光的直进性、反射现象，由于用粒子解释光的反射的本质是一样的所以较容易解释了这两种观点。

因为微粒说深入浅出,并且可以反映出有些光学现象的原因,再加上牛顿是物理学界的鳌头坚不可摧，不久就得到了大家的认可和拥护。

在随后的一个世纪以来,,物理学家们对光学的认识并没有更上一个新的台阶。

然后，牛顿提出的“微粒说”并不是可以解释全部现象的，举些例子来说，微粒说在解释无法解释光在不同的介质发生的两种现象：

折射和反射，还有不同的光在相遇后互不影响又继续向前传播的现象。

2.2惠更斯：

波动说

为了解释这些现象，和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯（ChristiaanHuyg（h）ens，1629-1695），提出了与微粒说相对立的波动说。

惠更斯的观点是光一种波而非粒子流，光像声音一样由于物体的振动产生的，但不一样是光是发光物体的振动所引起的，凭借着一类异常的东西叫做“以太”的带有弹性物体而传播的。

[2]惠更斯的波动说首先清楚地阐释了光的反射和折射现象，但是不同的是惠更斯对水和空气的折射率的想法是V水﹤空气，不过这样的说法，在当时并不知道是惠更斯的正确或者是牛顿的正确，人们无法有根据，并且波动说阐明了光在不同的介质发生的两种现象：

折射和反射，还有不同的光在相遇后互不影响又继续向前传播的现象。

这两种到底哪种更为可行更对物理学界有益在当时的世纪产生了非常轰动的激烈讨论，但是一直没有什么实验或者其他说法能证明这两个观点到底是哪个有问题，不过，对于这微粒说和波动说这两种观点，相对来说，人们还是比较愿意相信牛顿的微粒说，因为“站在大树底下好乘凉”，所以有了支持微粒说的派别。

到了18世纪，这个微粒派有没有改变呢？

其实在这将近一百年的时间里，有关光的性质没有什么突破性的实验和说法。

相对落后的实验仪器和条件的限制，在人们还不知道第一光在水中的折射率和光在空气的折射率哪个更大，还有光在空气中的传播速度是多少，这些问题的没有解决限制了很多实验的进行。

虽然惠更斯的波动说能够解释光的折射和反射现象以及几束光波相遇时不干扰并且向前传播的这些现象。

但是这种说法还是有很多不足的，它还没有找到解决光的直进以及薄膜在太阳底下颜色改变的原因以及光在水中的传播速度是多少等等一系列的问题，惠更斯的波动说并没有解决出来。

各种各样的原因，在18世纪的时候，波动说慢慢地就没有人提及了，人们更多的是相信牛顿的微粒说，于是在18世纪，牛顿的微粒说盖过了惠更斯的波动说，成为了引领物理学史上的科学大树。

在18世纪，被打压的波动说失去了活力，但是属于它的19世纪来临了，在19世纪，光的波动说掀开了它崭新的一页，它已经比微粒说更胜一筹，人们开始接受并且认同光的波动说的存在。

3光的干涉的首次发现历史——杨氏双缝实验

3.1光的干涉的建立起源

最首先质疑牛顿的微粒说的是是牛顿的同行英国物理学家托马斯·杨.（ThomasYoung，1773-1829）。

在1801年，年轻的托马斯·杨面对牛顿如日中天的气势，一针见血地说:

“无论牛顿在学界上是多么赫赫有名，然而我不认为他的说法观点一定都是正确的，对于他的微粒说的错误，我很庆幸自己能发现而且能指出来，在这点的认识上，我觉得有时候一个人的权威有时候会牵涉到科学的进步。

”

牛顿的“微粒说”并没有解决几束光波相遇后并没有相互影响而后又继续向前传播的这一问题，所以“微粒说”是有质疑的地方的，在托马斯·杨看来，要使这个说法破灭的话，首先要有实验能证明几束不同的光在相遇后互不影响又继续向前传播。

有种说法大概是这样说的：

兴趣会使一个人对另一件事产生有益的一面。

托马斯·杨热衷于乐器，并且差不多可以使用当时有的乐器来演奏，他的这个爱好对于他能够验证光的干涉实验产生了相得益彰的结果。

因为声音和光波是有一定的联系的，它们在有些地方有相似性。

托马斯·杨思考着光可不可能也和声音属于同一种波的性质，也许是波？

他朝着这个想法出发，用杨氏双缝实验验证了光的一种波的想法。

3.2从定义出发探讨光的干涉

先让我们来理解什么叫做相干光，相干光概念是频率一样，且振动方向一样一列或几列光。

那什么叫做波的干涉，波的干涉是这样定义的：

频率一样的两列波的彼此叠加产生了振动方向始终增强，但是另一些地方是保持着变小变弱的状态，叠加后增强的范围和叠加后削弱范围的地方彼此分离。

像这样条纹的出现，叫做波的干涉，加强区域是波峰和波峰相叠加，减弱区域是波谷和波谷相叠加。

干涉现象是所有的波都能产生的，比如我们熟知的水波、电磁波等。

从定义我们可以知道，如果光是一种波的话，它应该能发生光的干涉，如果不是，那它就不能出现干涉的情况。

托马斯·杨的实验的演示操作非常容易：

首先将一支蜡烛放在一张被开了一个小孔的白纸前面，蜡烛作为光源，然后在第一张白纸的后面放多一张白纸，现在放上的这张白纸开了两个平行的距最原先的那个孔的距离相等的狭缝，最后放一个光屏。

点亮蜡烛，光从第一个缝中然后穿过两道狭缝最终投射到光屏上，由此可知，经狭缝的这两列光是满足频率相同、振动方向相同的这两列光是相干光，最终屏幕上有明显等距的明暗相间的条纹，满足了波的干涉定义要求。

像这样子由两束相干光波叠加一起产生的波峰与波峰相叠加的增强地方，波谷和波谷叠加在一起相叠加产生的相互减弱的地方，我们就把这种现象叫做光的干涉。

他用这实验来阐明了光的性质是波而非粒子，光是波就能发生波的干涉产生干涉图样，托马斯·.杨利用干涉原理获取了干涉条纹，而且说明了我们最常见的一个现象——薄膜变成彩色。

他在工作室首先顺利地观察到两束光在一个地方遇上时彼此叠加，也就是波峰和波峰叠加，波谷和波谷叠加，得到的不变的明暗相间条纹的图形，这个由托马斯·杨发现的实验之后以他的名字命名为杨氏双缝实验。

托马斯.杨因为这个光的干涉的提出受到了物理学界的很多有名人士的排斥，在这些人士中间有牛顿的忠实支持者布劳安的排挤是最突出最不让人好过的，说他的思想和说法根本没有意义，并不算是实验，而且对他的光的干涉更是贬低和不认同，在提出了光的干涉以后的一大段时间里，并没有人能够看重他的这个实验和无人问津的他的想法，但是仅仅是要证明自己的观点的正确性的托马斯·杨没有地方声明编辑好自己的观点的论文，他后来为了让自己没有白费苦心他把这些论点写成小书四处发放，但是结局却是黑白的，只卖了一本。

但是，成功是留给有准备的人的，在微粒说不能解释一些光学问题时，杨氏双缝干涉实验解决了这其中存在的问题，之后不久，波动说被慢慢地物理学上所采纳。

3.3从原理出发探讨光的干涉

光的干涉的原理大抵和杨氏干涉原理相同，我们可以从杨氏双缝实验的原理图来探讨出光的干涉的原理。

首先，用单色光照射缝S（也可以使用激光），S1、S2的发光光源是S，我们根据光的相干需要满足的条件：

两个单色光源发出的两列波是方向一致、入射光频率一样、初相位差保持不变。

所以最后的屏幕上会显示出间距相等的明暗相间的条纹。

按照波动理论，如果两列光波的光程差符合：

，

上是显示亮纹。

因此屏上的亮条纹的最中间的地方是：

（干涉条纹的级数

，

单色光波长）。

类似，在

，P显示是暗条纹时，于是屏上的暗条纹的最中间的地方是：

 我们把上面明暗天纹的最中心位置的公式联立起来就能得到相邻明条纹或暗条纹的间距是：

在我们读中学的时候，我们学习过杨氏双缝实验，在大学时我们在高等教育出版社出版的第四版《光学》教程也学习了光的干涉。

在高中时，我们所学的杨氏双缝实验是这样子的，首先选定光源，一束钠光光源，让光源通过极小的缝S，接着经过距S两相等的狭缝S1和S2，得到两束相干光，最后在屏上出现了明显的明暗相间的亮纹和暗纹间隔着。

对杨氏双缝实验的改进在于光源的改进，现在做这个实验很多是采用激光作为光源。

3.4光的干涉当时解决的困难

在当时，光的干涉具有非常实际的现实价值，解决了一些实际性的问题和困难，比如，首次测出了光波的波长、测出薄片的厚度和折射率、长度测量微小改变量、用来解决检查了元件表面的质量等，下面简单举例子说明用光的干涉测量出光波的波长、测薄片的厚度和折射率和测量长度微小改变量这三个问题。

3.4.1首次测出光波的波长

因为光的干涉中使用的公式是：

，这个公式的相关量有入射光的波长λ、屏幕与双缝距离D、双缝距离d、两相邻条纹的宽度为△x，我们可以看到有波长这个量的出现，那么假设我们用未知波长的光来做杨氏双缝实验，那么我们是否可以测出未知光波的波长呢？

这个让我们很是期待，当时，人们根据了这个想法，利用这个实验进行了首次的测量光波波长。

首先我们先做干涉实验，得到清晰的干涉条纹后，我们可以用尺子测出屏幕与双缝的距离D，双缝间隔为d，相邻的两条明纹的宽度△x，利用公式：

△x=Dλ/d，就可以得到λ=△xd/D,就可以算出光波波长，历史上正是从双缝干涉中首次测出光波的波长。

3.4.2测薄片的厚度和折射率

同理可得，根据杨氏双缝干涉实验我们可以看到更加明亮的平行等间距条纹，使得我们可以测出薄片的厚度和折射率。

如果在双缝干涉装置中用一透明薄片覆盖其中一缝，干涉条纹就会移动，根据移动的条纹数目，薄片的厚度，光的波长，双缝距离就可以算出折射率，如果知道折射率就可以测出薄片的厚度。

最主要的计算测量的方法是知任意三可求其一。

3.4.3测量长度微小改变量

在物体突然产生了微小的变化，比如当一个零件受到外界的影响如：

热膨胀或者压力或者表面张力，在或者其他变故等，这种微小的该变量怎么能测出来呢？

在光的干涉原理出现后，物理学家们想到了用光的干涉的方法可以测量出一个元件的长度微小的改变量，原理是利用恰当的装置中移动明显的干涉条纹，使它刚好能够吻合。

精确读出条纹的移动量利用公式就可以测出它的高度的变化量。

当时科学家们则是利用这种方法将这些微小的该变量计算出来。

3.5光的干涉重大性意义

托马斯·杨成功做出了光的干涉实验在科学史上做出了卓越的贡献，推进了光的波动性质的进一步探索。

光的干涉巩固了光是以波动形式存在的说法，并不像牛顿提出的“微粒说”光以颗粒形式存在，“物理最美实验”之一是对这个实验的很高的评价。

过了不久后物理学家们把杨氏双缝实验和著名的犹太裔物理学家爱因斯坦（AlbertEinstein,1879-1955）的光量子假说概括起来首次得到了经典的光的波动性和粒子性结合的二象性，不久又被法国波动力学创始人德布罗意（LouisVictordeBroglie，1892-1987）把量子力学应用到一切微粒上。

光的干涉这一种物理现象说明了光具有波动性这一种属性，托马斯·杨本人的光的干涉是一个解决了一些当时相关的问题。

第一验证了波特有的性质干涉中光也有这种性质，说明光是一种波，第二解决了薄膜的彩色性等等。

杨氏双缝干涉实验是一个能承上启下的重大实验，现代物理学中将光的干涉作为光的波动性的最具说服力的说法，光的干涉不仅反驳了坚不可摧的牛顿微粒说，奠定了波动说的基础，为之后光的偏振、衍射以及往后的光学研究等提供了理论依据。

所以说来，干涉现象肯定了波的相干性的加强的区域逐步加强，减弱的区域跟着减弱的这种现象，证实了光的波动性这一说法的可靠而且正确性，由于这样子，我们还可以用我们身边中的很多现象来阐明光具有波动性的，干涉实验可以解释为什么颜色的变化。

例如，我们可以看到太阳光底下肥皂五彩颜色的泡泡，抬头看树上叶子看到的太阳光，透过薄刀片看到的像等等，这些都是生活中干涉的现象可以说明光具有波动性的特征。

4应用

在现代高科技发展的日新月异的时代中，机器的使用是我们生活中必不可少的。

目前，光的干涉技术已经被广泛地用于高精度小平面的平整度检测、高精度曲率半径的测量、光钎测压传感器、激光干涉测量技术等许多领域。

4.1高精度曲率半径干涉测量技术

曲率半径对我们来说并不陌生,我们也听说过这个名词,比如我们戴上非球面隐形眼镜的时候我们可以看到其中有标注曲率半径是多少毫米,为了使隐形眼镜更贴合我们的瞳孔,是要精细量出它的曲率半径是多少的,以至于让我们戴隐形的时候眼睛更加舒适。

这个对我们来说的不陌生的名词其实是光学元件里面的不可缺少的检测部分。

光学元件对我们的生活越来越重加之我们对光学元件的使用越来越广泛,所以在满足人类需求的同时,我们对它的要要求逐渐慢慢地提高。

光的干涉检测作为主要手段被应用于检测光学元件中。

现在，高精度曲率半径在使用过程中，我们采用的方法一般都是用干涉测量技术法，因为这种方法在不断的走向技术的成熟，而且通过检测结果精确而且非常可靠。

这种干涉测量技术的两个非常有利的方向是第一设备更小就像美国研发出来世界第一台计算机一样由原来的150平方米到如今的笔记本一样大小准备走进我们的生活。

第二是测量的精度水准更高。

传统的光学曲率半径检测设备通常是靠目视法评估干涉图像的好坏,其操作复杂琐碎,多个步骤增加了测量的偶然误差,因此测量精度收到了限制,采用测量曲率半径的办法有许多,传统有球面样板法、球径仪法、刀口阴影法……。

这些方法测量精度不高而且定量困难,高精度曲率半径干涉测量技术克服了这些缺陷发展起来了。

高精度曲率半径干涉测量技术是首先对一个光学元件的曲率的半径进行它的顶点和圆心和尾部进行精确的定位，然后用干涉长度测量的方法将其精准地测出来，再进行计算得出结论。

由于目前在光学生产的加工中,高精度曲率半径干涉测量技术可以解决在需要测量的光学曲率半径范围大到平面,小到几毫米的范围,所以目前,高精度曲率半径干涉测量技术在国外越加成熟、测量范围也越加广泛、测量精度也不断改善,更加服务奉献于科技的进步。

4.2光纤干涉传感器

至今，光纤传感器的研究已经经历了半个世纪，我们知道光纤的反应速度很快，例如在我们身边出现且与我们息息相关的光纤上网。

对于干涉传感器技术的逐步发展壮大，干涉型光纤传感器的种类也越来多且功能越来越强大。

第一有可以放大水声的光纤水听器，有测量温度变化量的光纤温度传感器，有测量压力差的光纤压力传感器，有测量振动频率的光纤振动传感器，更加有甚者是测量生物酶的光纤生物传感器等等。

基于干涉原理的干涉型光纤传感器是光纤传感器家族中的重要成员，干涉型光纤传感器和其他的传感器的检测的原理是基本相同的，是由于受到外界因素影响到光纤的感受范围引起光纤的热膨胀、横方向应变、压力或者其他原因导致的让它的光纤横向、纵向、轴向、总长度发生微小的变化时，干涉传感器便能测出来，但是不同在于，光纤受外界影响所发生的反应比较灵敏，因此在这些情况下测出来比较精确。

此类传感器的测量精度和灵敏度都远胜于其他测量方法。

为了获得干涉效应，光纤干涉仪中的两束（或者多束）光之间在经过不同光程后会形成一个相位差，当这个相位差满足一定条件时就会产生干涉谱线，因此在所有干涉型光纤传感器中都要有光的分束和光的汇聚元件。

而且其中一束光波容易受到外界影响，只有这样才能最终感测到外界环境的变化，在光纤干涉仪中，能进行光波的时间和光谱信息来测量外界的环境。

干涉型光纤传感器和传统的干涉仪比较起来，它具有质量轻、灵敏度高、抵抗电磁干扰等多重好处，还可以完成狭小空间、特殊环境下的传感任务，在今天的航空航天、民用基础建设、交通运输以及生物医学等很多领域都有了很广泛的应用，在给人们生活提供便捷的同时能完善人们对生活中各种如水压、大气压、振动各方面数据的需求,大大地加强和改善人们对生活中物理量的认识。

5结束语

在定下我的这篇论文的写作内容之后的这一段时间以来，我翻阅了有史以来最多有关于光的物理学史的书籍，我看的书主要有1981年版丁弗·卡约里的《物理学史》、《时与光》、《光的物理学史》等，通过联系古代近代现代物理学史探索光的干涉的经历中，不仅在我的物理原有知识水平上掌握了更多有关于光的物理学史上从人类凿木取火的光源的研究开始到今天激光、光纤的研究历史，与此同时使我加深了对光的干涉的提出背景，从定义、原理应用出发研究光的干涉到认识到光的干涉的历史研究及发展，写论文能够大大提高了我的文字组织能力还有提高我的学习能力，我完成此篇论文的同时让我较深如地理解了本文的研究对象光的干涉的实质、历史及发展。

对于翻阅光学书籍的时候，我的心里有对物理学家们深深的佩服以及他们对真理的不懈的追求的那种精神所折服，最后，光的干涉在物理学史上具有举足轻重的作用，是学习物理的我们值得不断研究进修的方向，同时在本文中提到的观点和方法还有待在对光的干涉的学习研究中不断努力发现积累和完善。