當兩個攜帶能量的波相遇并重疊時會發(fā)生干擾。它們攜帶的能量混合在一起，因此，您得到的不是兩個波，而是第三波，其形狀和大小取決于原始兩波的模式。當波像這樣合并時，該過程稱為疊加。

您是否曾經(jīng)做過一種當下報紙難題，您必須使用兩個非常相似的卡通來找到缺失的細節(jié)？解決這些問題的快速方法是切出兩個圖像，將一個圖像放置在另一個圖像的上方，然后在紙上照亮光線。這聽起來像是在作弊，但這實際上是科學：您正在使用一幅圖像的光線模式來顯示另一幅圖像的差異。科學家使用一種非常類似的過程稱為干涉測量法，通過比較光束或無線電束，以極高的精度測量微小物體。

激光干涉儀。激光束分為兩部分。一部分直接進入檢測器，而另一部分則發(fā)生某種變化。通過在末端再次比較兩個光束，您可以非常精確地測量變化的程度。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，但在物理學中，干擾具有更具體的含義。當兩個攜帶能量的波相遇并重疊時會發(fā)生干擾。它們攜帶的能量混合在一起，因此，您得到的不是兩個波，而是第三波，其形狀和大小取決于原始兩波的模式。當波像這樣合并時，該過程稱為疊加。

如果您曾經(jīng)坐在浴缸中揮舞著波浪，那么您會發(fā)現(xiàn)運動中的干涉和疊加。如果來回推動您的手，您可以將能量波從水的中心傳遞到浴缸的壁上。當波浪到達墻壁時，它們從硬表面彈回的大小或多或少沒有改變，但速度相反。每次波浪都會從浴缸中反射出來，就像您在墻上踢了一個橡皮球一樣。一旦海浪回到您的手所在的位置，您可以通過與海浪同步移動來使海浪更大。實際上，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。當波加在一起形成更大的波時，科學家稱之為相長 干涉。如果以其他方式移動手，則可以創(chuàng)建與原始波浪不同步的波浪。當這些新波添加到原始波中時，它們會從它們中減去能量并使它們變小。這就是科學家所說的破壞性干涉。

兩種類型的干擾。 相長干涉意味著將兩個或多個波組合起來以獲得更大的第三波。新波具有相同的波長和頻率，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。

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

在這兩個極端之間，還有其他各種可能性，其中一部分波動是 與對方同相。像這樣添加兩個波浪，將產(chǎn)生第三個波浪，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，您會得到一種稱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量的圖案。

干涉儀如何工作？

干涉儀是一種非常精確的科學儀器，旨在以超乎尋常的精確度測量事物。

干涉儀的基本原理是將一束光（或其他類型的電磁輻射）用所謂的分光鏡（也稱為半透明鏡或半鏡）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，一半的光線反射回來--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（稱為參考光束）照射到鏡子上，然后從那里照射到屏幕、相機或其他探測器上。另一束光照到或通過您要測量的東西，照到第二面鏡子上，再通過分光鏡，照到同一個屏幕上。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），所以它的步幅會稍微偏離（相位偏離）。

一個基本的（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，我們會讓藍色光束受到某種我們想要測量的變化。干涉儀將兩束光結合在一起，屏幕上出現(xiàn)的干擾邊緣是它們之間差異的視覺表現(xiàn)。

當兩道光束在屏幕上相遇時，它們會發(fā)生重疊和干涉，它們之間的相位差就會形成一個亮區(qū)和暗區(qū)的圖案（換句話說，就是一組干涉條紋）。亮區(qū)是兩個光束相加（建設性）而變得更亮的地方；暗區(qū)是兩個光束相減（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的不同方式或額外距離。

干擾邊緣不是落在一個簡單的屏幕上，而是通常將其導入相機，以產(chǎn)生一個稱為干涉圖的永久圖像。在另一種安排中，干涉圖是由一個探測器（如老式數(shù)碼相機中使用的CCD圖像傳感器）制作的，該探測器將波動的光學干涉條紋模式轉(zhuǎn)換為電信號，可以非常容易地用計算機進行分析。

干涉儀有哪些不同類型？

干涉儀在19世紀末開始流行，有幾種不同的類型，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家命名。六種常見的類型是Michelson， Fabry-Perot， Fizeau， Mach-Zehnder， Sagnac和Twyman-Green干涉儀。

由美國國家標準技術研究院的塞繆爾·斯特拉頓博士于1907年設計的Fabry-Perot型干涉儀，用于測量霓虹燈的波長。圖片由美國國家標準與技術研究院數(shù)字收藏所提供

Michelson干涉儀（以Albert Michelson命名，1853年-1931年），因為它在1881年著名的Michelson-Morley實驗中發(fā)揮的作用。當時，Michelson和他的同事Edward Morley （1838-1923）推翻了一種被稱為 “乙醚 ”的神秘隱形液體的存在，物理學家們認為這種液體充滿了空洞的空間。Michelson-Morley實驗是愛因斯坦相對論的重要踏腳石。

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

Fizeau干涉儀（以法國物理學家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，被廣泛用于光學和工程測量。

Mach-Zehnder干涉儀（由德國人Ludwig Mach和瑞士人Ludwig Zehnder發(fā)明）使用兩個分束器代替一個分束器，產(chǎn)生兩個輸出光束，可以分別進行分析。它廣泛應用于流體力學和空氣動力學，這是它最初開發(fā)的領域。

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

Twyman-Green干涉儀（由Frank Twyman和Arthur Green于1916年開發(fā)）是一種改進的Michelson，主要用于測試光學設備。

大多數(shù)現(xiàn)代干涉儀都使用激光，因為它比普通光更有規(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)們沒有機會使用激光（直到20世紀中期才開發(fā)出來激光），所以他們不得不使用通過狹縫和透鏡的光束來代替。

光纖干涉儀。大多數(shù)干涉儀通過露天的光束，但當?shù)氐臏囟群蛪毫ψ兓袝r會成為誤差的來源。激光（紅色，12）通過透鏡（灰色，16a/b）將其光束射入一對光纖電纜中。其中一條（藍色，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（綠色，20）允許其光束從被測量的東西（如振動表面）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行干涉。作品由美國專利商標局提供。

干涉儀的精度如何？

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

幸運的是，好的干涉儀可以彌補這一點。有些使用單獨的激光來測量空氣的折射率，而另一些使用激光來測量空氣的溫度，壓力，濕度，間接計算對折射率的影響；無論哪種方式，都可以校正測量值，并將總誤差降低到百萬分之一或二分之一。

干涉儀有什么用？

干涉儀廣泛用于各種科學和工程應用中，以進行精確測量。通過在物體上掃描干涉儀，您還可以繪制非常詳細的表面圖。

正在使用的干涉測量法：這些加利福尼亞州長谷的3D地形圖是使用航天器使用稱為雷達干涉測量法的技術制成的，其中微波束從地球的輪廓反射出來，然后重新組合。圖片由NASA噴氣推進實驗室（NASA-JPL）提供。

光學（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。由于可見光的波長在數(shù)百納米，理論上干涉儀可以測量比人的頭發(fā)小幾百倍的長度。實際上，日常實驗室的限制有時會使這種精度難以實現(xiàn)。例如，Albert Michelson發(fā)現(xiàn)他的乙醚檢測儀器受到了大約三分之一公里外的交通流量的影響！

天文學家還使用干涉儀來組合來自望遠鏡的信號，因此它們的工作方式與更大、更強大的儀器一樣，可以深入太空。其中一些干涉儀使用光波工作；另一些則使用無線電波（類似于光波，但波長更長，頻率更低）。

凱克干涉儀。凱克干涉儀 天文學家已經(jīng)將夏威夷莫納克亞（Mauna Kea）上這些圓頂上的兩臺10米（33英尺）的光學望遠鏡連接起來，使之成為一個有效的、更強大的單一望遠鏡。照片由美國宇航局噴氣推進實驗室（NASA-JPL）提供。

干涉測量法還幫助我們弄清引力的秘密。2017年，三位美國物理學家（Rainer Weiss，Barry Barish和Kip Thorne）因發(fā)現(xiàn)引力波（“時空漣漪”）而獲得了諾貝爾物理學獎，該發(fā)現(xiàn)最初是阿爾伯特·愛因斯坦早在一個多世紀前就預測到的。

他們的實驗叫LIGO（激光干涉儀引力波觀測站），使用兩個非常大的激光干涉儀，臂長4公里（2.5英里），分別位于美國兩端相距3000公里（1800英里）的兩個不同地方（華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓）。

此外，兩個相對較新的應用是生物傳感裝置（使用所謂的質(zhì)子干涉儀）和量子計算機。