薄膜干涉（thin-電影 interference）是用分振幅法獲得相干光產生的干涉。是同一束光在薄膜上界面處分解為二束（一部分反射、一部分折射），然后再會合到一處發生的干涉。通?？煞譃槠叫衅矫姹∧ぎa生的等傾干涉和非平行薄膜產生的等厚干涉兩種類型，其中等厚干涉的經典裝置主要有劈尖和牛頓環。日常生活中見到的陽光照射下的肥皂泡，水面上的油膜以及許多昆蟲（如蜻蛉、鳳蝶總科等）翅膀上所呈現出來的彩色花就是薄膜干涉現象。
十七世紀，英國物理學家羅伯特·胡克（Robert Hooke）通過觀察肥皂水和云母薄片的顏色研究薄膜干涉，但是受限于當時的條件，并沒有得出光的相干理論。英國的另一名物理學家艾薩克·牛頓（Isaac Newton）也對薄膜干涉進行過大量地研究，其中就有著名的有關“牛頓環”的實驗。之后，在1881年，美國的物理學家阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Abraham Michelson）運用薄膜干涉的原理設計了邁克爾遜干涉儀，并借此獲得了諾貝爾物理學獎。
薄膜干涉的原理是利用反射和折射將波面上某處的光振幅分成兩部分來得到相干光從而產生干涉現象。這個原理可以用于光學零件鍍膜，可以根據不同需求減弱或增強薄膜表面某些波長的光的發射，制作增透膜和高反射膜。同時，根據薄膜干涉原理設計的邁克爾遜干涉儀也是十分重要的高精度測量儀器。
定義
使一束光波經透明薄膜或薄板的上、下表面依次反射和折射，從而將入射光振幅分為若干部分（如下圖所示），反射光束（1，2，3，···）或透射光束（1'，2'，3'，···）都是相干光，它們相遇產生的干涉稱為分振幅干涉，也叫薄膜干涉。對于一般的透明介質而言，反射光束中只有前兩束的振幅相近，其余的反射光束振幅都小到可以忽略不計，因此，可以按雙光束干涉來處理反射光的干涉。
簡史
十七世紀，英國物理學家羅伯特·胡克（Robert Hooke）研究了肥皂水和云母薄片的顏色。他發現，它們的色彩與薄膜和云母片的厚度有關。胡克假設，光是在“以太”中傳播的一種振動運動。他還認為，這些振動是橫向振動。他解釋了薄膜中光的干涉現象：光波在肥皂泡薄膜的上表面和下表面發生反射，這些反射光落入人眼后產生不同顏色的感覺。但是，胡克當時還沒有關于光是什么的正確概念。他沒有把光的顏色與振動頻率或者波長聯系起來，因此他不可能創立光的相干理論。
1704年，英國物理學家艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的《光學》一書出版，書中第二篇的內容就是牛頓關于薄膜干涉現象的研究。牛頓通過實驗研究了空氣膜、肥皂泡、金屬表面氧化層等各種厚薄不同的膜的顏色現象，其中大量的是現在稱為“牛頓環”的著名實驗。通過一系列實驗觀察，牛頓得到了以下正確的結論：1.干涉條紋（牛頓稱為“色環”）出現在透明膜的表面上；2.反射光的色環從顏色和亮暗兩方面看，都與透射光色環互補；3.色環分布有嚴格的周期性。
1881年，美國物理學家阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Abraham Michelson）利用光的干涉原理，設計了具有很高測量精度的邁克爾遜干涉儀。邁克爾遜干涉儀是利用分振幅法產生雙光束以實現干涉的一種儀器裝置。在近代物理和近代計量技術中，它具有重要的地位和作用，邁克爾遜由此獲得了1907年諾貝爾獎。該儀器的許多變形在標準長度計量、高質量光學儀器檢測、流動顯示、精密定位技術，以及通過激光技術而發展起來的全息干涉技術中有著廣泛的應用。
1920年，阿爾伯特·邁克爾遜根據雙縫干涉條紋視見度隨光源大小而變化的規律設計了星體干涉儀，開啟了干涉現象在天文學中的應用。
1922年，法國物理學家路易·德布羅意（Louis Victor de Broglie）發表了《干涉與光量子》一文，談到了阿爾伯特·愛因斯坦用能量漲落對熱平衡時的黑體輻射所作的分析，認為從光量子的觀點來看，干涉現象與光原子的集合有關，這些光原子的運動不僅不是獨立的，而且是相干的。
1970年，法國天文學家拉里貝（A.Labeyrie）利用散斑現象提出了一種散斑干涉儀并用它測量星體的張角。散斑干涉儀可以通過統計方法消除大氣湍動的影響從而提高測量精確度。
原理
幾列波在空間相遇要產生干涉，必須滿足相干條件。波的相干條件是：頻率相同、振動方向相同、相位差恒定。光波也是如此，即幾列頻率（或波長）相同、振動方向相同、相位差恒定的光波在空間相遇，就會使空間某些點的光振動得到加強某些點的光振動得到減弱，即產生明暗相間的條紋。這種能產生干涉的光稱為相干光。
將光源上同一點發出的光設法“一分為二”，使它們沿不同路徑傳播后再相遇。由于這兩部分光是同一光源上的一點在同一時刻所發出的，它們的頻率自然相同，其振動方向也相同，而且這兩部分光經不同路徑傳播再相遇時，彼此相位的改變是確定的，即它們間的相位差恒定，由此容易判斷這兩部分光顯然是相干光，當它們相遇時就可能產生干涉現象。
現象
日光照射下的肥皂泡出現彩色條紋就是薄膜干涉現象。當日光照射肥皂泡時，日光在肥皂泡的兩個表面反射，如果日光中的紅光在肥皂泡上的反射疊加中得到加強，則該處呈現紅色；在肥皂泡的另一些地方是日光中其他色光干涉得到加強，則在那些地方呈現其他顏色，所以日光通過肥皂泡干涉能分解出不同的顏色。
透明薄膜兩個表面的反射光發生的干涉現象是十分常見的。平時看到的漂浮在水面上的油膜呈現彩色，也是日光在油膜的上、下兩個表面所反射的兩列光波干涉的結果。背角無齒蚌內表面有的地方呈現彩色，有些昆蟲很薄的透明羽翼呈現彩色，有透明薄膜保護層的激光唱片呈現彩色等，都與薄膜干涉有關。
相關概念
光程
光程就是光在介質中通過的幾何路程按相位改變相等的條件折合到真空中的路程。在折射率為的介質中光波的波長為真空中波長的，在此介質中如果光波通過的幾何路程為，那么在相同的時間內光在真空中通過的幾何路程為：
即光波在某一介質中通過的幾何路程與此介質的折射率的乘積稱為與該幾何路程相應的光程。
光程差就是兩束光的光程之差。即：
光程差
光程差決定明、暗條紋的位置和形狀，因此在一個具體的于涉裝置中，分析計算兩束相干光在相遇點的光程差，是討論光波干涉問題的基本出發點。
半波損失
薄膜干涉過程中光從光速較大（折射率較?。┑慕橘|射向光速較?。ㄕ凵渎瘦^大）的介質時，反射光的相位較之入射光的相位躍變了。由于這一相位躍變，相當于反射光與入射光之間附加了半個波長的波程差，故稱作半波損失。
分類
一般情況下，當薄膜的厚度均勻時，所形成的干涉條紋屬于等傾干涉條紋；當薄膜的厚度不均勻時，所形成的干涉條紋屬于等厚干涉條紋。獲取等厚干涉條紋的常見裝置為劈尖和牛頓環。
等傾干涉
設厚度為、折射率為的均勻平行平面薄膜，薄膜上方和薄膜下方介質的折射率分別為和，從擴展光源上任取一點S發出的光，以轉軸傾角投射到薄膜上。如下圖Ⅰ所示，入射光在A點產生反射光線a，而折射后進入薄膜內的光在C點反射后射到B點；然后又折回原介質中成為光線b，此外還有在膜內經三次反射、五次反射等等，再折回膜上方的光線，但其強度迅速下降，所以只考慮a、b這兩束光線間的干涉。
等傾干涉工程圖是一系列明暗相間的同心圓環。圖樣中半徑越大的圓環對應的入射光傾角越大，光程差越小，干涉級也越低。所以等傾干涉中心處的干涉級最高，越向外干涉級越低。中央的環紋間距較大，環紋較稀疏；越向外，環紋間距越小，環紋越密集。并且較厚的膜產生的等傾條紋較密。
上圖Ⅰ中，從B點作光線a的垂線BD，根據物像間的等光程原理，從D和B到P的光程相等，所以兩相干光線a、b之間的光程差為：
由上圖Ⅰ中的幾何關系、折射定律以及結合不同介質的不同折射率對半波損失的影響可推導出反射光相干的明暗紋條件：
有附加光程時：
明紋為
暗紋為
無附加光程時：
明紋為
暗紋為
由以上述公式可知：當薄膜厚度和介質折射率一定時，光程差是隨光線的轉軸傾角（指入射角或折射角）而改變的。這樣，不同的干涉明條紋和暗條紋，相對應地具有不同的傾角，而同一干涉條紋上的各點都具有同一的傾角，因此，這種干涉才被稱為等傾干涉。
等厚干涉
劈尖
如果薄膜的厚度不均勻，如下圖Ⅱ（a）所示，為一個放在空氣中的劈尖形狀的介質膜，簡稱劈尖膜（wedge 電影）。它的兩個表面是平面，其間有一非常非常小的夾角。當單色平行光垂直單射到這樣的劈尖上時，在劈尖的上下表面的反射光將形成干涉，因此，用如下圖Ⅱ（b）實驗裝置觀察介質上表面時就會看到干涉條紋。
劈尖產生的等厚干涉條紋是一組與棱邊平行的明暗相間等距的直條紋，其中棱邊的厚度為零，所以棱邊是暗紋。劈尖的楔角越大，條紋間距越小，干涉條紋越密，如果楔角過大，干涉條紋就將密得無法分開，因此干涉條紋只能在楔角很小的劈尖上觀察到。如果照射光不是單色光，則各單色成分的光波各自形成一套干涉工程圖。
上圖Ⅱ（b）實驗裝置觀察介質上表面時就會看到干涉條紋。在上圖Ⅱ（a）中，用來表示光的單射點處膜的厚度，為薄膜介質的折射率，為光在上表面反射時產生的半波損失。反射光產生干涉條紋的條件為：
明紋：
暗紋：
由上述公式還可知兩相鄰明條紋（或暗條紋）間對應的介質膜的厚度差都等于，即：
牛頓環
在一塊光學平面玻璃片上，放一曲率半徑很大的平凸透鏡，在其間形成一上表面為球面，下表面為平面的劈尖形空氣薄層的裝置，如下圖Ⅲ所示。由于這里空氣劈尖的等厚軌跡是以接觸點為圓心的一系列同心圓環，所以在其上可觀察到一組明暗相間的同心圓等厚干涉條紋，這種干涉條紋是牛頓首先觀察到的，故稱為牛頓環（Newton ring）。
牛頓環條紋是以接觸處為中心的許多明暗相間的同心圓環。牛頓環中心處，若透鏡與平板緊密接觸，則空氣膜厚度為零，因此中心零級干涉條紋是一暗點，一般為一暗斑；從中心向外，空氣層厚度逐漸增加，干涉環級次增大，環間距減小，條紋變密、變細。
設環形干涉條紋的半徑為、光波波長為，平凸透鏡的曲率半徑為。以空氣牛頓環為例，光垂直單射的情形下，在厚度為處兩相干光的光程差為，則可知明暗紋光程差公式為：
明紋：
暗紋：
由上圖Ⅲ中的幾何關系帶入明暗紋光程差公式可推導出空氣牛頓環干涉條紋半徑：
明紋半徑：
暗紋半徑：
若利用實驗測出干涉環半徑，就可以由上式算出光波波長或透鏡的曲率半徑。例如，實驗中測出暗環的第級直徑，和第級直徑，則可求出：
。
特點
空間相干性
實際中的光源總是有一定大小的，光源上不同的部分可以看做不同的發光點，每個發光點都可以形成屬于自己的一套干涉條紋，這些干涉條紋通常是不重合的，如果是普通光源，其不同發光部分之間的相位差是隨機的，也就是不相干的，不同發光點的干涉條紋相互隔行掃描疊加就會使條紋變得模糊，嚴重時會令干涉條紋完全消失，因此在干涉裝置中的普通光源，其尺寸不能太大，但如果是激光器，它不同部分之間的光是有固定相位差的，因此可以不限定其尺寸大小。這種由光源的大小引起的干涉問題就是空間相干性問題。
時間相干性
普通光源發出的波列長度是有限的，在干涉裝置中，無論是分波陣面還是分振幅，都是將一個波列分成兩份，使它們通過不同的路徑，從而產生相位差，但是如果兩個子波列所走過的光程之差超過波列自身的長度，那么它們就不會在空間相遇了，當然也不會產生干涉了，所以雙縫的間距不能太大，薄膜的厚度也不能太大。窗戶玻璃上看不到干涉條紋就是因為它的厚度太大，超過了波列的長度，這就是時間相干性問題。
根據傅里葉變換理論，長度有限的波列可以分解為長度無限但是頻率在一定范圍內連續變化的波的和，因此時間相干性也可以用多頻率復色光的干涉來解釋，如果入射光中含有多個不同的頻率，那么每種頻率的光都有自己的干涉條紋，如果頻率范圍太寬（相應于波列長度太短），則不同頻率的干涉條紋就會明暗重疊，形成平均亮度，從而失去干涉圖案。
應用
邁克爾遜干涉儀
1881年，美國物理學家阿爾伯特·邁克爾遜（Michelson）利用光的干涉原理，設計了具有很高測量精度的邁克爾遜干涉儀，薄膜干涉條紋的位置又決定于光程差；光程差的微小變化會引起干涉條紋的明顯移動．邁克爾遜干涉儀就是利用這個原理制成的精密儀器。
邁克爾遜干涉儀的基本結構如下圖所示。自透鏡L出射的單色平行光，經分光板一分為二，分成垂直單射到平面反射鏡M1的光線1和垂直入射到平面反射鏡M2的光線2。經M1反射，光線1回到分光板后部分透過分光板成為光線1'并沿E方向傳播；而透過G1和G2并經M2反射的光線2回到分光板后，部分被反射，成為光線2，也沿E方向傳播，光線1和2'是相干光，因此在E處可以觀察到干涉現象。
干涉儀圖像中條紋移動數目與反射鏡M1移動距離之間的關系為：
若已知光源的波長，利用上式，可測量微小長度或長度的微小變化；也可根據M1移動的距離和條紋移動的數目，測量入射光波長。例如，阿爾伯特·邁克爾遜曾用自己的干涉儀于1893年測定了鎬的紅色譜線的波長，在干燥空氣中，時所測得的紅線的波長為，并由此定義出標準米的長度為。
其他光學儀器
在現代光學儀器中，為了減少入射光能量在透鏡等元件的玻璃表面上反射時所引起的損失，常在鏡面上鍍一層厚度均勻的透明薄膜（常用的有氟化鎂MgF2），膜的厚度適當時，可使所使用的單色光在膜的兩個表面上的反射光因發生干涉而相消，于是該單色光就幾乎不發生反射而透過薄膜，這種使透射光能量增強的薄膜就是增透膜。
與此相反，在另一些光學系統中往往要求某些光學表面具有很高的反射率而幾乎沒有透射損耗，這時也可在元件表面鍍膜，這類薄膜稱為增反膜或高反射膜。例如，激光器中的高反射鏡，對特定波長的光的反射率可達99%以上；宇航員頭盔和面甲上都鍍有對紅外線具有高反射率的多層膜，以屏蔽宇宙空間中極強的紅外線照射。
干涉濾光片是一種由多層膜系組成的光學器件，它利用薄膜干涉原理可以做到只讓某一較窄波長范圍內的光通過該器件，因而干涉濾光片常用于從白光中獲得某種特定波長范圍的光。干涉濾光片已是較精密的光譜儀器中的重要組件。
研究意義
對薄膜干涉進行量化分析，將直觀的現象用抽象的模型和數學計算表示了出來，加強了對薄膜干涉的了解，為創立光的波動理論提供了助力。此外，根據薄膜干涉原理制作的邁克爾遜干涉儀既可以用來觀察各種干涉現象及其條紋變動的情況，也可以用來對長度及光譜線的波長和精細結構等進行精密的測量，這對現在的多個學科都有影響。阿爾伯特·邁克爾遜干涉儀在邁克爾遜一莫雷實驗中對“以太”風觀測中所得到的零結果，為狹義相對論的基本假設提供了實驗依據。除此之外，邁克爾遜干涉儀在引力波探測，尋找太陽系外行星的探測以及延遲干涉儀（即光學差分相移鍵控解調器）的制造中都有應用。
類似現象
楊氏雙縫干涉
英國物理學家托馬斯·楊（Thomas Young）于1801年首先得到了兩列相干的光波，用光的波動性解釋了干涉現象。楊氏的實驗裝置如下圖所示，在普通單色光源（如鈉光燈）前面，先放置一個開有狹縫S的屏，再放置一個開有兩個相距很近的狹縫S1和S2的屏，就可以在較遠的接收屏上觀測到一組以O為對稱中心的平行干涉條紋。
衍射
所謂光的衍射是指：光在傳播過程中遇到障礙物時偏離幾何光學路徑的現象。具體表現為光可以繞過障礙物，傳播到障礙物的幾何陰影中，并且在觀察屏上呈現出光強的不均勻分布（稱為衍射工程圖），對光在某個方向上的空間限制越強，則該方向上的衍射效應越強。
偏振
如果波的振動方向和波的傳播方向相同，則這種波稱為縱波；若波的振動方向和波的傳播方向相互垂直，則這種波稱為橫波。振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做偏振，它是橫波區別于縱波的一個最明顯的標志。
雙折射
一束光線在兩種各向同性介質的分界面上發生折射時，折射光通常只有一束，而且遵守折射定律。但是，當一束光進入各向異性介質的一些晶體（如方解石晶體CaCO3等）中時，一束光線便能分解成兩束折射光，這種現象稱為雙折射現象。
參考資料 >
術語在線.術語在線.2024-03-04