神通激光

第三节 相辅相成建奇功

　　你吹过肥皂泡吗？肥皂泡在阳光的照耀下，会呈现出五颜六色的虹彩。原来，肥皂泡是一个有一定厚度的透明薄膜，阳光在它的内外两个表面反射后，出现了具有相同波长、不同相位的两列波，它们发生“光的干涉”现象，于是出现了彩色干涉条纹。

　　“光的干涉”是怎么回事呢？

　　让我们来看一个生活中的实际例子吧。把一块石子投进平静的湖水里，就会在水面上激起一圈圈的涟漪。如果把两块石子同时投进湖水的两个相距不远处，在水面上同时激起两列水波，它们相遇而产生一种奇丽的图景——高低相同的圆波纹和放射形状的条波纹。这是因为，两列水波的波峰与波峰相遇处和两列水波的波谷与波谷相遇处，水波波动更加剧烈；而一列水波的波峰与另一列水波的波谷相遇处，波动相互减弱了。

　　光的干涉也是这样。从同一光源发出的两列光波，具有相同的波长，在它们相遇交迭的空间的某些地方，也会像水波那样相互增强或削弱，因而出现亮度的明暗变化，或出现彩色现象。如果是单色光源，看到的是明暗相间的条纹；如果是白色光源，看到的是色彩复杂的花样。在一般情况下，我们眼睛直接看到的，往往是某些薄膜所产生的干涉条纹，就像我们常见的肥皂泡所产生的彩色干涉条纹那样。例如，在水沟水洼的水面上，在河溪汇流或拐弯处的水面上，在海湾港口的水面上，常常漂浮着薄薄的油膜，在阳光的照射下形成彩色花样。雨后，在光滑的柏油马路上，汽车驶过留下的油污薄膜，也会形成类似的彩色花样。还有，云母片等透明物“起层”造成的裂缝，能形成空气隙的薄膜干涉颜色。一些禽鸟羽毛和甲虫壳也会产生类似的干涉颜色。

　　光的干涉是有条件的。条件是：（1）两列波必须具有相同的波长；（2）两列波具有一定的相位差；（3）两列波具有一致的振动方向。这就是说，并不是任意两列波相遇迭加都能发生干涉，只有从具备这些条件的光源发出的两列波相遇才能发生干涉现象。

　　具备上述条件的光波，即两列能够相互干涉的光波，叫做相干光波或相干光。能够产生相干光的光源，就叫做相干光源。

　　在自然界里，光的干涉现象并不罕见，如上面所举出的生活中常见的种种实例。但是，理想的相干光源却十分难得。在激光出现以前，为了研究干涉现象，人们曾采取了许多巧妙办法来获得相干光，并用来做光的干涉实验，如著名的“杨氏干涉实验”。

　　那还是1801年的时候，英国物理学家托马斯·杨做了一个“双孔实验”。实验方法是这样的：让太阳光穿过一个屏上的单孔，然后投射到另一个开有双孔的屏上，穿过这两个小孔，光被分成了两束。由于把同一光源发出的光人为地分成两束，这样就保证了这两束光必然具有相同的频率（或波长）和恒定的相位差，因而可以把双孔看成为两个相干的点光源。再使这两束光在后边的像屏上相遇而迭加，于是，两束光在相位相同处相互加强，在相位相反处相互减弱或抵消，便发生了干涉现象。太阳光是复色光，是由波长不同的单色光组成的，每一种单色光都由两支来路不同的光束各自在屏上不同位置处得到加强或减弱，最后在屏上就会呈现出彩色的干涉条纹来。

　　第二年，托马斯·杨为了进一步研究干涉现象，又做了一个“双缝实验”。一个具有一定波长的光源L，照射一块不透明的遮光板，板上有一条狭缝S。这个单缝S被单色光源照亮，作为线状光源。由S发出一列圆柱面波W。前边，又有一块不透明的遮光板，板上有两条离得很近并相互平行的双狭缝S1和S2.这两条狭缝S1和S2到S的距离相等，并且在长度方向上与S长度平行。光波W由S1和S2发出两列圆柱面波W1和W2，从而由同一光源S得出了两列波，成为相干线光源。在更远一些的地方，放置一块白纸或毛玻璃的像屏。两个带狭缝的不透明板相互平行，并且与像屏平行。来自同一光源L的两列波从S1和S2发出，投射到像屏上，就在像屏上形成一系列明暗相间的干涉条纹，每一条纹都与狭缝平行，条纹间的距离彼此相等。如上所述，在两列波的波峰与波峰相遇处（实线与实线相交处）或波谷与波谷相遇处（虚线与虚线相交处），波得到增强，光强度大，便形成明条纹；在两列波的波峰与波谷相遇处（实线与虚线相交处），波受到削弱，光强度小，便形成暗条纹。

　　在杨氏双缝实验中，第一块板上的单缝S被照亮而作为线状光源，第二块板上的双缝形成两列圆柱面波，成为相干光源，在远处的屏上形成一系列明暗相间的条纹。如果将单缝S板拿去，让光源发出的光直接穿过双缝S1和S2，则屏上的干涉条纹立即消失。但是，如果我们把光源L换成激光器，则屏上又会出现干涉条纹。这就表明，激光器同时起到了光源和单缝的作用，是良好的单色光源。也就是说，激光器所有各点发出的光，如同从一个点发出的光一样，具有相同的频率、一样的相位、一致的振动方向。因此，屏上会出现明暗相间的清晰条纹。由此可见，激光具有高度的相干性。利用激光做干涉实验，那就简单方便多了。

　　激光有这么好的相干性，同样也是因为激光器有一个特殊的谐振腔——一个简直是“魔盒”般的谐振腔。在谐振腔两端有两个反射镜，两个反射镜之间有严格的距离，使某一波长的受激辐射光反射后总是以相同的相位迭加而加强，因而能发射出特征完全相同的光子。

　　激光的高相干性，是激光的第三大特点。激光的出现，使人们第一次获得了相干光，使光源发光由无规则变为可控制，使光波的非相干性与无线电波的相干性的差别消失。因此，人们可以利用光波作为携带信号的“载波”——就像车船载人运货那样，激光光波运载着通信信号（图像、声音、文字等），并采用无线电技术中的调制、变频和放大等方法，通过光导纤维传输，实现以光波为手段的通信——光通信，给现代通信事业带来了巨大变化。高相干性的激光的干涉技术，在科研和工业方面都是很有用的，如通过准确测定光谱谱线的波长来研究原子内部结构，精确测定长度等。人们还制造出各种干涉仪，广泛地应用在生产、科研和军事方面。