波光学中的干涉模式： 光谱学中的应用
发布时间：2023-10-20 10:52:58 阅读数： 1009
干涉是波光学领域的一个重要现象。在科学领域，这种技术被用来开发各种强大的分析技术。在波光学中，光被视为一种电磁波，通过解释干涉模式来研究其类似波的行为。本文将深入探讨波光学中干涉模式的复杂性及其在光谱学领域的应用。
图片来源：Peter Hermes Furian/Shutterstock.com
什么是波光学？
波光学是光学的一个分支，主要研究干涉、衍射和偏振等现象。这些现象促进了干涉仪、全息图、偏振镜、光栅、四分之一波板、薄膜干涉和其他技术的发展，为各种科学突破做出了巨大贡献。
波光学中观察到的现象概述如下：
干涉： 由于波的重叠而产生，这些波可能相互增减。
衍射： 当光波遇到障碍物时，光波会在障碍物边缘弯曲并散射。
偏振： 这是因为电磁波具有横向性质。与电磁波相关的电场和磁场矢量与波的传播方向互成直角。
波光学中的干涉模式
波光学中的干涉模式产生的原因如下
两个光场的相位一致性
两个光场在空间和时间上的重叠
非正交（非垂直）偏振态
波光学中有两种类型的干涉：建设性干涉和破坏性干涉。在前一种干涉模式中，产生的波的振幅大于单个波的振幅。在后一种干涉模式中，产生的波的振幅小于单个波的振幅。
如何在波光学中获得干涉图样？
波光学中获得干涉图样的两种主要技术如下：
波前分割干涉： 在这种方法中，来自单个光源的光波被分成两部分，沿两个不同的方向传播，然后重合形成干涉条纹图案。采用这种方法的技术包括杨氏双缝、劳埃德镜、菲涅尔双镜和菲涅尔双棱镜。
振幅分裂干涉： 在这种方法中，来自单一光源的光波被分成两部分：部分反射或折射，即反射光和透射光。这两部分光经过不同的路径后重新结合，产生干涉条纹图案。 采用这些方法的技术包括薄膜干涉和迈克尔逊干涉仪。
光谱学中干涉图案的相关性
光谱学研究物质与电磁辐射（如光）之间的相互作用，并以光谱的形式记录输出结果。实际上，所有光谱学方法都涉及干涉现象，这就是光与物质相互作用的方式。
在棱镜中，光的色散是因为不同波长的光被棱镜材料阻挡的程度不同，从而形成特定的干涉图案。衍射光栅也是另一种分离不同波长光的方法。
干涉测量法利用光波的干涉来提取与所研究材料有关的信息。当两个以上的光波重叠时，它们要么相互放大，要么相互抵消。研究这些干涉模式可以获得与光相互作用的材料的信息。
一些方法，如迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪，利用高水平的干涉将光分成不同的波长。这些技术被称为干涉光谱学（IS）。
迈克尔逊干涉仪： 这是一种精确的工具，由一面镜子组成，入射光被分成两组不同的波，通过不同的路径传播，然后重合。如果两组波的振荡总数相等，它们就会相互放大，并射向探测器，形成光谱形式的可见图案。
光的强度会随着镜子的移动而变化。因此，光谱也是不同的。此外，一种称为傅立叶变换的数学运算有助于将光强变化转换为吸收光谱的常规频域。
法布里-佩罗干涉仪： 这种干涉仪是迈克尔逊干涉仪的复杂版本。它由两面或平或弯的镜子组成。它通常用作高分辨率的光学分光计。
要使法布里-佩罗干涉仪正常工作，输入光波必须接近谐振器的共振频率。共振频率可以通过调整两个反射镜之间的距离来调节。
当谐振器的谐振频率与输入光波相匹配时，光在谐振器内循环良好，没有反射。然而，在反谐振情况下，光在谐振器内不能很好地循环，会发生反射。
最新趋势
在传统的双缝实验中，光通过紧密间隔的狭缝。该实验揭示了光的波和粒子性质。然而，发表在《自然-物理》上的一篇文章报道了这一实验在时间而非空间领域的再现。在这个实验中，伦敦帝国理工学院的物理学家发射了一束光，穿过一层氧化铟锡薄膜。
这种材料（氧化铟锡）会在飞秒间改变其特性，只允许光在特定时间通过。这一实验的再现为研究和分析光脉冲在其辐射的一个周期内的时间结构打开了新的光谱学之门。
发表在《科学报告》上的另一篇文章介绍了时间领域的双缝实验的另一个版本。该实验使用了氦原子发射的高速光电子。他们表明，一组高速电子影响了单粒子的干涉模式。
双缝排列使用了几个具有阿秒级控制间距的光波包。探测器上观察到的干涉图案取决于两个光波包之间的间隔，揭示了氦原子发射的单个光电子的波和粒子性质。
结论
总之，干涉图案在波光学和光谱学中都起着至关重要的作用。这种技术与波动力学的基本原理密切相关。深入研究干涉条纹的技术见解有助于我们理解和操纵光，为我们开启新技术之门，实现科学突破。
参考资料
What are Wave Optics? (Accessed on 31 September 2023). Available at https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=763
Interference (Accessed on 31 September 2023). Available at https://www.britannica.com/science/spectroscopy/Interference#ref620163
Michelson Interferometer & Fourier Transform Spectrometry (Accessed on 31 September 2023). Available at http://courses.washington.edu/phys331/michelson/michelson.pdf
Tirole, R., Vezzoli, S., Galiffi, E. et al. (2023). Double-slit time diffraction at optical frequencies. Nature Physics, 1-4. https://doi.org/10.1038/s41567-023-01993-w
Kaneyasu, T., Hikosaka, Y., Wada, S., Fujimoto, M., Ota, H., Iwayama, H., & Katoh, M. (2023). Time domain double slit interference of electron produced by XUV synchrotron radiation. Scientific Reports, 13(1), 6142. https://www.nature.com/articles/s41598-023-33039-9#Sec6
参考资料
