更新时间：2024-09-20 12:52
薄膜干涉（thin-电影 interference）是用分振幅法获得相干光产生的干涉。是同一束光在薄膜上界面处分解为二束（一部分反射、一部分折射），然后再会合到一处发生的干涉。通常可分为平行平面薄膜产生的等倾干涉和非平行薄膜产生的等厚干涉两种类型，其中等厚干涉的经典装置主要有劈尖和牛顿环。日常生活中见到的阳光照射下的肥皂泡，水面上的油膜以及许多昆虫（如蜻蛉、凤蝶总科等）翅膀上所呈现出来的彩色花就是薄膜干涉现象。
十七世纪，英国物理学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）通过观察肥皂水和云母薄片的颜色研究薄膜干涉，但是受限于当时的条件，并没有得出光的相干理论。英国的另一名物理学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）也对薄膜干涉进行过大量地研究，其中就有著名的有关“牛顿环”的实验。之后，在1881年，美国的物理学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Abraham Michelson）运用薄膜干涉的原理设计了迈克尔逊干涉仪，并借此获得了诺贝尔物理学奖。
薄膜干涉的原理是利用反射和折射将波面上某处的光振幅分成两部分来得到相干光从而产生干涉现象。这个原理可以用于光学零件镀膜，可以根据不同需求减弱或增强薄膜表面某些波长的光的发射，制作增透膜和高反射膜。同时，根据薄膜干涉原理设计的迈克尔逊干涉仪也是十分重要的高精度测量仪器。
使一束光波经透明薄膜或薄板的上、下表面依次反射和折射，从而将入射光振幅分为若干部分（如下图所示），反射光束（1，2，3，···）或透射光束（1'，2'，3'，···）都是相干光，它们相遇产生的干涉称为分振幅干涉，也叫薄膜干涉。对于一般的透明介质而言，反射光束中只有前两束的振幅相近，其余的反射光束振幅都小到可以忽略不计，因此，可以按双光束干涉来处理反射光的干涉。
十七世纪，英国物理学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）研究了肥皂水和云母薄片的颜色。他发现，它们的色彩与薄膜和云母片的厚度有关。胡克假设，光是在“以太”中传播的一种振动运动。他还认为，这些振动是横向振动。他解释了薄膜中光的干涉现象：光波在肥皂泡薄膜的上表面和下表面发生反射，这些反射光落入人眼后产生不同颜色的感觉。但是，胡克当时还没有关于光是什么的正确概念。他没有把光的颜色与振动频率或者波长联系起来，因此他不可能创立光的相干理论。
1704年，英国物理学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的《光学》一书出版，书中第二篇的内容就是牛顿关于薄膜干涉现象的研究。牛顿通过实验研究了空气膜、肥皂泡、金属表面氧化层等各种厚薄不同的膜的颜色现象，其中大量的是现在称为“牛顿环”的著名实验。通过一系列实验观察，牛顿得到了以下正确的结论：1.干涉条纹（牛顿称为“色环”）出现在透明膜的表面上；2.反射光的色环从颜色和亮暗两方面看，都与透射光色环互补；3.色环分布有严格的周期性。
1881年，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Abraham Michelson）利用光的干涉原理，设计了具有很高测量精度的迈克尔逊干涉仪。迈克尔逊干涉仪是利用分振幅法产生双光束以实现干涉的一种仪器装置。在近代物理和近代计量技术中，它具有重要的地位和作用，迈克尔逊由此获得了1907年诺贝尔奖。该仪器的许多变形在标准长度计量、高质量光学仪器检测、流动显示、精密定位技术，以及通过激光技术而发展起来的全息干涉技术中有着广泛的应用。
1920年，阿尔伯特·迈克尔逊根据双缝干涉条纹视见度随光源大小而变化的规律设计了星体干涉仪，开启了干涉现象在天文学中的应用。
1922年，法国物理学家路易·德布罗意（Louis Victor de Broglie）发表了《干涉与光量子》一文，谈到了阿尔伯特·爱因斯坦用能量涨落对热平衡时的黑体辐射所作的分析，认为从光量子的观点来看，干涉现象与光原子的集合有关，这些光原子的运动不仅不是独立的，而且是相干的。
1970年，法国天文学家拉里贝（A.Labeyrie）利用散斑现象提出了一种散斑干涉仪并用它测量星体的张角。散斑干涉仪可以通过统计方法消除大气湍动的影响从而提高测量精确度。
几列波在空间相遇要产生干涉，必须满足相干条件。波的相干条件是：频率相同、振动方向相同、相位差恒定。光波也是如此，即几列频率（或波长）相同、振动方向相同、相位差恒定的光波在空间相遇，就会使空间某些点的光振动得到加强某些点的光振动得到减弱，即产生明暗相间的条纹。这种能产生干涉的光称为相干光。
将光源上同一点发出的光设法“一分为二”，使它们沿不同路径传播后再相遇。由于这两部分光是同一光源上的一点在同一时刻所发出的，它们的频率自然相同，其振动方向也相同，而且这两部分光经不同路径传播再相遇时，彼此相位的改变是确定的，即它们间的相位差恒定，由此容易判断这两部分光显然是相干光，当它们相遇时就可能产生干涉现象。
日光照射下的肥皂泡出现彩色条纹就是薄膜干涉现象。当日光照射肥皂泡时，日光在肥皂泡的两个表面反射，如果日光中的红光在肥皂泡上的反射叠加中得到加强，则该处呈现红色；在肥皂泡的另一些地方是日光中其他色光干涉得到加强，则在那些地方呈现其他颜色，所以日光通过肥皂泡干涉能分解出不同的颜色。
透明薄膜两个表面的反射光发生的干涉现象是十分常见的。平时看到的漂浮在水面上的油膜呈现彩色，也是日光在油膜的上、下两个表面所反射的两列光波干涉的结果。背角无齿蚌内表面有的地方呈现彩色，有些昆虫很薄的透明羽翼呈现彩色，有透明薄膜保护层的激光唱片呈现彩色等，都与薄膜干涉有关。
光程就是光在介质中通过的几何路程按相位改变相等的条件折合到真空中的路程。在折射率为的介质中光波的波长为真空中波长的，在此介质中如果光波通过的几何路程为，那么在相同的时间内光在真空中通过的几何路程为：
即光波在某一介质中通过的几何路程与此介质的折射率的乘积称为与该几何路程相应的光程。
光程差就是两束光的光程之差。即：
光程差决定明、暗条纹的位置和形状，因此在一个具体的于涉装置中，分析计算两束相干光在相遇点的光程差，是讨论光波干涉问题的基本出发点。
薄膜干涉过程中光从光速较大（折射率较小）的介质射向光速较小（折射率较大）的介质时，反射光的相位较之入射光的相位跃变了。由于这一相位跃变，相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程差，故称作半波损失。
一般情况下，当薄膜的厚度均匀时，所形成的干涉条纹属于等倾干涉条纹；当薄膜的厚度不均匀时，所形成的干涉条纹属于等厚干涉条纹。获取等厚干涉条纹的常见装置为劈尖和牛顿环。
设厚度为、折射率为的均匀平行平面薄膜，薄膜上方和薄膜下方介质的折射率分别为和，从扩展光源上任取一点S发出的光，以转轴倾角投射到薄膜上。如下图Ⅰ所示，入射光在A点产生反射光线a，而折射后进入薄膜内的光在C点反射后射到B点；然后又折回原介质中成为光线b，此外还有在膜内经三次反射、五次反射等等，再折回膜上方的光线，但其强度迅速下降，所以只考虑a、b这两束光线间的干涉。
等倾干涉工程图是一系列明暗相间的同心圆环。图样中半径越大的圆环对应的入射光倾角越大，光程差越小，干涉级也越低。所以等倾干涉中心处的干涉级最高，越向外干涉级越低。中央的环纹间距较大，环纹较稀疏；越向外，环纹间距越小，环纹越密集。并且较厚的膜产生的等倾条纹较密。
上图Ⅰ中，从B点作光线a的垂线BD，根据物像间的等光程原理，从D和B到P的光程相等，所以两相干光线a、b之间的光程差为：
由上图Ⅰ中的几何关系、折射定律以及结合不同介质的不同折射率对半波损失的影响可推导出反射光相干的明暗纹条件：
有附加光程时：
明纹为
暗纹为
无附加光程时：
明纹为
暗纹为
由以上述公式可知：当薄膜厚度和介质折射率一定时，光程差是随光线的转轴倾角（指入射角或折射角）而改变的。这样，不同的干涉明条纹和暗条纹，相对应地具有不同的倾角，而同一干涉条纹上的各点都具有同一的倾角，因此，这种干涉才被称为等倾干涉。
如果薄膜的厚度不均匀，如下图Ⅱ（a）所示，为一个放在空气中的劈尖形状的介质膜，简称劈尖膜（wedge 电影）。它的两个表面是平面，其间有一非常非常小的夹角。当单色平行光垂直单射到这样的劈尖上时，在劈尖的上下表面的反射光将形成干涉，因此，用如下图Ⅱ（b）实验装置观察介质上表面时就会看到干涉条纹。
劈尖产生的等厚干涉条纹是一组与棱边平行的明暗相间等距的直条纹，其中棱边的厚度为零，所以棱边是暗纹。劈尖的楔角越大，条纹间距越小，干涉条纹越密，如果楔角过大，干涉条纹就将密得无法分开，因此干涉条纹只能在楔角很小的劈尖上观察到。如果照射光不是单色光，则各单色成分的光波各自形成一套干涉工程图。
上图Ⅱ（b）实验装置观察介质上表面时就会看到干涉条纹。在上图Ⅱ（a）中，用来表示光的单射点处膜的厚度，为薄膜介质的折射率，为光在上表面反射时产生的半波损失。反射光产生干涉条纹的条件为：
明纹：
暗纹：
由上述公式还可知两相邻明条纹（或暗条纹）间对应的介质膜的厚度差都等于，即：
在一块光学平面玻璃片上，放一曲率半径很大的平凸透镜，在其间形成一上表面为球面，下表面为平面的劈尖形空气薄层的装置，如下图Ⅲ所示。由于这里空气劈尖的等厚轨迹是以接触点为圆心的一系列同心圆环，所以在其上可观察到一组明暗相间的同心圆等厚干涉条纹，这种干涉条纹是牛顿首先观察到的，故称为牛顿环（Newton ring）。
牛顿环条纹是以接触处为中心的许多明暗相间的同心圆环。牛顿环中心处，若透镜与平板紧密接触，则空气膜厚度为零，因此中心零级干涉条纹是一暗点，一般为一暗斑；从中心向外，空气层厚度逐渐增加，干涉环级次增大，环间距减小，条纹变密、变细。
设环形干涉条纹的半径为、光波波长为，平凸透镜的曲率半径为。以空气牛顿环为例，光垂直单射的情形下，在厚度为处两相干光的光程差为，则可知明暗纹光程差公式为：
明纹：
暗纹：
由上图Ⅲ中的几何关系带入明暗纹光程差公式可推导出空气牛顿环干涉条纹半径：
明纹半径：
暗纹半径：
若利用实验测出干涉环半径，就可以由上式算出光波波长或透镜的曲率半径。例如，实验中测出暗环的第级直径，和第级直径，则可求出：
。
实际中的光源总是有一定大小的，光源上不同的部分可以看做不同的发光点，每个发光点都可以形成属于自己的一套干涉条纹，这些干涉条纹通常是不重合的，如果是普通光源，其不同发光部分之间的相位差是随机的，也就是不相干的，不同发光点的干涉条纹相互隔行扫描叠加就会使条纹变得模糊，严重时会令干涉条纹完全消失，因此在干涉装置中的普通光源，其尺寸不能太大，但如果是激光器，它不同部分之间的光是有固定相位差的，因此可以不限定其尺寸大小。这种由光源的大小引起的干涉问题就是空间相干性问题。
普通光源发出的波列长度是有限的，在干涉装置中，无论是分波阵面还是分振幅，都是将一个波列分成两份，使它们通过不同的路径，从而产生相位差，但是如果两个子波列所走过的光程之差超过波列自身的长度，那么它们就不会在空间相遇了，当然也不会产生干涉了，所以双缝的间距不能太大，薄膜的厚度也不能太大。窗户玻璃上看不到干涉条纹就是因为它的厚度太大，超过了波列的长度，这就是时间相干性问题。
根据傅里叶变换理论，长度有限的波列可以分解为长度无限但是频率在一定范围内连续变化的波的和，因此时间相干性也可以用多频率复色光的干涉来解释，如果入射光中含有多个不同的频率，那么每种频率的光都有自己的干涉条纹，如果频率范围太宽（相应于波列长度太短），则不同频率的干涉条纹就会明暗重叠，形成平均亮度，从而失去干涉图案。
1881年，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊（Michelson）利用光的干涉原理，设计了具有很高测量精度的迈克尔逊干涉仪，薄膜干涉条纹的位置又决定于光程差；光程差的微小变化会引起干涉条纹的明显移动．迈克尔逊干涉仪就是利用这个原理制成的精密仪器。
迈克尔逊干涉仪的基本结构如下图所示。自透镜L出射的单色平行光，经分光板一分为二，分成垂直单射到平面反射镜M1的光线1和垂直入射到平面反射镜M2的光线2。经M1反射，光线1回到分光板后部分透过分光板成为光线1'并沿E方向传播；而透过G1和G2并经M2反射的光线2回到分光板后，部分被反射，成为光线2，也沿E方向传播，光线1和2'是相干光，因此在E处可以观察到干涉现象。
干涉仪图像中条纹移动数目与反射镜M1移动距离之间的关系为：
若已知光源的波长，利用上式，可测量微小长度或长度的微小变化；也可根据M1移动的距离和条纹移动的数目，测量入射光波长。例如，阿尔伯特·迈克尔逊曾用自己的干涉仪于1893年测定了镐的红色谱线的波长，在干燥空气中，时所测得的红线的波长为，并由此定义出标准米的长度为。
在现代光学仪器中，为了减少入射光能量在透镜等元件的玻璃表面上反射时所引起的损失，常在镜面上镀一层厚度均匀的透明薄膜（常用的有氟化镁MgF2），膜的厚度适当时，可使所使用的单色光在膜的两个表面上的反射光因发生干涉而相消，于是该单色光就几乎不发生反射而透过薄膜，这种使透射光能量增强的薄膜就是增透膜。
与此相反，在另一些光学系统中往往要求某些光学表面具有很高的反射率而几乎没有透射损耗，这时也可在元件表面镀膜，这类薄膜称为增反膜或高反射膜。例如，激光器中的高反射镜，对特定波长的光的反射率可达99%以上；宇航员头盔和面甲上都镀有对红外线具有高反射率的多层膜，以屏蔽宇宙空间中极强的红外线照射。
干涉滤光片是一种由多层膜系组成的光学器件，它利用薄膜干涉原理可以做到只让某一较窄波长范围内的光通过该器件，因而干涉滤光片常用于从白光中获得某种特定波长范围的光。干涉滤光片已是较精密的光谱仪器中的重要组件。
对薄膜干涉进行量化分析，将直观的现象用抽象的模型和数学计算表示了出来，加强了对薄膜干涉的了解，为创立光的波动理论提供了助力。此外，根据薄膜干涉原理制作的迈克尔逊干涉仪既可以用来观察各种干涉现象及其条纹变动的情况，也可以用来对长度及光谱线的波长和精细结构等进行精密的测量，这对现在的多个学科都有影响。阿尔伯特·迈克尔逊干涉仪在迈克尔逊一莫雷实验中对“以太”风观测中所得到的零结果，为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。除此之外，迈克尔逊干涉仪在引力波探测，寻找太阳系外行星的探测以及延迟干涉仪（即光学差分相移键控解调器）的制造中都有应用。
英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）于1801年首先得到了两列相干的光波，用光的波动性解释了干涉现象。杨氏的实验装置如下图所示，在普通单色光源（如钠光灯）前面，先放置一个开有狭缝S的屏，再放置一个开有两个相距很近的狭缝S1和S2的屏，就可以在较远的接收屏上观测到一组以O为对称中心的平行干涉条纹。
所谓光的衍射是指：光在传播过程中遇到障碍物时偏离几何光学路径的现象。具体表现为光可以绕过障碍物，传播到障碍物的几何阴影中，并且在观察屏上呈现出光强的不均匀分布（称为衍射工程图），对光在某个方向上的空间限制越强，则该方向上的衍射效应越强。
如果波的振动方向和波的传播方向相同，则这种波称为纵波；若波的振动方向和波的传播方向相互垂直，则这种波称为横波。振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于纵波的一个最明显的标志。
一束光线在两种各向同性介质的分界面上发生折射时，折射光通常只有一束，而且遵守折射定律。但是，当一束光进入各向异性介质的一些晶体（如方解石晶体CaCO3等）中时，一束光线便能分解成两束折射光，这种现象称为双折射现象。
术语在线.术语在线.2024-03-04