神通激光

第三節 相輔相成建奇功

　　你吹過肥皂泡嗎？肥皂泡在陽光的照耀下，會呈現出五顏六色的虹彩。原來，肥皂泡是一個有一定厚度的透明薄膜，陽光在它的內外兩個表麵反射後，出現了具有相同波長、不同相位的兩列波，它們發生“光的幹涉”現象，於是出現了彩色幹涉條紋。

　　“光的幹涉”是怎麽回事呢？

　　讓我們來看一個生活中的實際例子吧。把一塊石子投進平靜的湖水裏，就會在水麵上激起一圈圈的漣漪。如果把兩塊石子同時投進湖水的兩個相距不遠處，在水麵上同時激起兩列水波，它們相遇而產生一種奇麗的圖景——高低相同的圓波紋和放射形狀的條波紋。這是因為，兩列水波的波峰與波峰相遇處和兩列水波的波穀與波穀相遇處，水波波動更加劇烈；而一列水波的波峰與另一列水波的波穀相遇處，波動相互減弱了。

　　光的幹涉也是這樣。從同一光源發出的兩列光波，具有相同的波長，在它們相遇交迭的空間的某些地方，也會像水波那樣相互增強或削弱，因而出現亮度的明暗變化，或出現彩色現象。如果是單色光源，看到的是明暗相間的條紋；如果是白色光源，看到的是色彩複雜的花樣。在一般情況下，我們眼睛直接看到的，往往是某些薄膜所產生的幹涉條紋，就像我們常見的肥皂泡所產生的彩色幹涉條紋那樣。例如，在水溝水窪的水麵上，在河溪匯流或拐彎處的水麵上，在海灣港口的水麵上，常常漂浮著薄薄的油膜，在陽光的照射下形成彩色花樣。雨後，在光滑的柏油馬路上，汽車駛過留下的油汙薄膜，也會形成類似的彩色花樣。還有，雲母片等透明物“起層”造成的裂縫，能形成空氣隙的薄膜幹涉顏色。一些禽鳥羽毛和甲蟲殼也會產生類似的幹涉顏色。

　　光的幹涉是有條件的。條件是：（1）兩列波必須具有相同的波長；（2）兩列波具有一定的相位差；（3）兩列波具有一致的振動方向。這就是說，並不是任意兩列波相遇迭加都能發生幹涉，隻有從具備這些條件的光源發出的兩列波相遇才能發生幹涉現象。

　　具備上述條件的光波，即兩列能夠相互幹涉的光波，叫做相幹光波或相幹光。能夠產生相幹光的光源，就叫做相幹光源。

　　在自然界裏，光的幹涉現象並不罕見，如上麵所舉出的生活中常見的種種實例。但是，理想的相幹光源卻十分難得。在激光出現以前，為了研究幹涉現象，人們曾采取了許多巧妙辦法來獲得相幹光，並用來做光的幹涉實驗，如著名的“楊氏幹涉實驗”。

　　那還是1801年的時候，英國物理學家托馬斯·楊做了一個“雙孔實驗”。實驗方法是這樣的：讓太陽光穿過一個屏上的單孔，然後投射到另一個開有雙孔的屏上，穿過這兩個小孔，光被分成了兩束。由於把同一光源發出的光人為地分成兩束，這樣就保證了這兩束光必然具有相同的頻率（或波長）和恒定的相位差，因而可以把雙孔看成為兩個相幹的點光源。再使這兩束光在後邊的像屏上相遇而迭加，於是，兩束光在相位相同處相互加強，在相位相反處相互減弱或抵消，便發生了幹涉現象。太陽光是複色光，是由波長不同的單色光組成的，每一種單色光都由兩支來路不同的光束各自在屏上不同位置處得到加強或減弱，最後在屏上就會呈現出彩色的幹涉條紋來。

　　第二年，托馬斯·楊為了進一步研究幹涉現象，又做了一個“雙縫實驗”。一個具有一定波長的光源L，照射一塊不透明的遮光板，板上有一條狹縫S。這個單縫S被單色光源照亮，作為線狀光源。由S發出一列圓柱麵波W。前邊，又有一塊不透明的遮光板，板上有兩條離得很近並相互平行的雙狹縫S1和S2.這兩條狹縫S1和S2到S的距離相等，並且在長度方向上與S長度平行。光波W由S1和S2發出兩列圓柱麵波W1和W2，從而由同一光源S得出了兩列波，成為相幹線光源。在更遠一些的地方，放置一塊白紙或毛玻璃的像屏。兩個帶狹縫的不透明板相互平行，並且與像屏平行。來自同一光源L的兩列波從S1和S2發出，投射到像屏上，就在像屏上形成一係列明暗相間的幹涉條紋，每一條紋都與狹縫平行，條紋間的距離彼此相等。如上所述，在兩列波的波峰與波峰相遇處（實線與實線相交處）或波穀與波穀相遇處（虛線與虛線相交處），波得到增強，光強度大，便形成明條紋；在兩列波的波峰與波穀相遇處（實線與虛線相交處），波受到削弱，光強度小，便形成暗條紋。

　　在楊氏雙縫實驗中，第一塊板上的單縫S被照亮而作為線狀光源，第二塊板上的雙縫形成兩列圓柱麵波，成為相幹光源，在遠處的屏上形成一係列明暗相間的條紋。如果將單縫S板拿去，讓光源發出的光直接穿過雙縫S1和S2，則屏上的幹涉條紋立即消失。但是，如果我們把光源L換成激光器，則屏上又會出現幹涉條紋。這就表明，激光器同時起到了光源和單縫的作用，是良好的單色光源。也就是說，激光器所有各點發出的光，如同從一個點發出的光一樣，具有相同的頻率、一樣的相位、一致的振動方向。因此，屏上會出現明暗相間的清晰條紋。由此可見，激光具有高度的相幹性。利用激光做幹涉實驗，那就簡單方便多了。

　　激光有這麽好的相幹性，同樣也是因為激光器有一個特殊的諧振腔——一個簡直是“魔盒”般的諧振腔。在諧振腔兩端有兩個反射鏡，兩個反射鏡之間有嚴格的距離，使某一波長的受激輻射光反射後總是以相同的相位迭加而加強，因而能發射出特征完全相同的光子。

　　激光的高相幹性，是激光的第三大特點。激光的出現，使人們第一次獲得了相幹光，使光源發光由無規則變為可控製，使光波的非相幹性與無線電波的相幹性的差別消失。因此，人們可以利用光波作為攜帶信號的“載波”——就像車船載人運貨那樣，激光光波運載著通信信號（圖像、聲音、文字等），並采用無線電技術中的調製、變頻和放大等方法，通過光導纖維傳輸，實現以光波為手段的通信——光通信，給現代通信事業帶來了巨大變化。高相幹性的激光的幹涉技術，在科研和工業方麵都是很有用的，如通過準確測定光譜譜線的波長來研究原子內部結構，精確測定長度等。人們還製造出各種幹涉儀，廣泛地應用在生產、科研和軍事方麵。