浅谈光的干涉和衍射的区别和联系

陈祉尹

摘 要：光是物理研究的重要对象，但在高中阶段对光的认识是有限的。光的干涉和衍射现象是光的波动性的表现，它们都是光振动的叠加，其本质是相同的。很多同学认为判别这两种现象很难，本文将从多方面讲解两种现象的不同与相同之处。

关键词：光的干涉 光的衍射 波面 光程差

中图分类号：0415 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）02-0-01

光是一种电磁波，而干涉与衍射现象就是波动性的典型。若有几列波同时在一介质中传播，而且这几列波在空间某点相遇，在其相遇的区域内，任何一点处质点的振动为各列波单独在该点引起的振动的合振动，即在任一时刻，该点处质点的振动位移是各个波在该点所引起的位移的矢量和，这一规律称为波的叠加原理[1]。

一、光的干涉

两列或几列光波在空间相遇时互相叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象被称作光的干涉。通常的独立光源是不相干的，不同的原子辐射的光波波列的初相位之间是没有一定规则的，这导致通常的探测仪器无法探测短暂的干涉现象。由于上世纪六七十年代激光的问世，光源的相干性大大提高。实现干涉的关键是保持光的相位差恒定，为了解决发光机制中初相位无规则迅速变化和干涉条纹形成要求相位差恒定的矛盾，解决办法是将同一原子所发出的光波分解成两列，使分光束通过不同的光程，这样即使原始光源的初相位变化频繁，相位差仍然稳定[2]。以杨氏双缝干涉实验为例，如图1，图中有D>>d，即屏幕到狭缝的距离远远大于双缝间距，此时有。设两光源的振动方程为，，在P点引起的振动方程为

二、光的衍射

光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象被称作光的衍射。光的衍射现象是光的波动性的最直接有力的实验证据。在研究波的传播时，总是可以找到同相位各点的几何位置，这些点的轨迹是一个等相面，叫做波面。惠更斯建立了惠更斯原理，即任何时刻波面的每一点都可以作为子波的波源，各自发出球面子波。在以后的任何時刻，所有子波的波面的包络形成整个波在该时刻的新的波面。惠更斯原理能对光的直射、反射和折射进行完美的解释，但是由于不涉及波的时空周期特性，不能够进行定量的研究。实际上，光的衍射是很细微的，需要能够掌握空间中每一点的振幅，才能够精确解释衍射现象。菲涅耳对惠更斯的假设进行了补充，发展成为了菲涅耳—惠更斯原理，即波面上的每个面积元都可以看成新的波源，它们都发出子波。波面前空间某一点的振动可以由波面上所有面积元所发出的子波在该点叠加后的合振幅来表示。以单缝的夫琅禾费衍射实验为例，如图2，线光源从S放在透镜L1的主焦面上，从透镜L1穿出的光线为一束平行光。设狭缝的宽度为a，平行光束垂直地照射到狭缝上，位于另一侧的透镜L2的焦平面处的平面上产生明暗相间的条纹。衍射图样是由同一波阵面上各点发出的子波在空间某点相遇时相干叠加形成的。衍射是无数个波束叠加的效应。。当，即时，在O点形成中央明纹，在P点出现暗纹的条件 ，（k=，…），除了中央明纹，其它各级明纹出现的条件是，（k=，…）。

三、干涉和衍射的区别和联系

在光的干涉现象中，缝宽a<<，每个小缝相当于一个线光源，其发出的子波的振幅可以认为是均匀的，每个子波都是以直线传播的模型来描写的。光的干涉强调的是有限的几列光波的相干叠加，叠加过程是对有限量的求和[3]。光的衍射则不然，缝宽a与波长可相比拟。由于波阵面上有无数个次级波，且这些波都是满足相干条件的，所以光的衍射强调的是无数多个子波相干叠加，叠加过程是一个积分求和的过程。总之，干涉是有限光束的叠加，衍射是无限束光叠加的结果。

光的干涉和衍射现象虽然都能够在屏幕上看到明暗相间的条纹，但是条纹明暗分布是不同的。在杨氏双缝干涉实验中，光的干涉是从双缝发出的两列等幅光波在屏幕上叠加，产生的干涉条纹是平行且宽度相同的，中央条纹和两侧的条纹是没有区别的，且明暗程度也基本相当，即能量也是均匀分布的。在单缝衍射实验中，光的衍射是从单缝产生了无数的子波，这些子波到达屏幕的时候相互叠加，产生的衍射条纹是中间亮条纹又宽又亮，两侧的条纹明显变窄，且亮度也明显减弱，能量分布明显是不均匀的。

两者也有相同之处，首先，两种现象的本质都是波的叠加相干性，其次，两者都是波的波动性的有力证明。本质上来说，两者可以视为一个统一的现象，都是波场相干叠加的结果。干涉与衍射的图像也有相似之处，都是明暗相间的条纹。

四、结论

光的干涉和远射都是光的波动性的表现，都是光在遇到障碍物之后所表现出的光强分布不均匀现象，两者之间既存在着相同的共性，也存在着不同的个性。由于光是一种波，遇到障碍物总要产生叠加效应，这对光的干涉和衍射来说是相同的，但是两者又是区别的，光的干涉强调光沿直线传播，由有限的相干波叠加，光的衍射强调光的非直线传播，由无限的子波相干叠加。

参考文献

[1]王玮，孙家法. 从光程差看光的干涉与衍射现象的本质区别[J]. 淮北师范大学学报（自然科学版），2012，（01）：39-41.

[2]宣桂鑫. 光的干涉和衍射的区别和联系[J]. 物理教学，2010，（11）：8-12.

[3]屈双惠，侯维娜，杨志宏，马志春. 光的干涉与衍射的区别与联系[J]. 石家庄学院学报，2010，（06）：86-90.