nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
彩色的奥秘：我们身边的光波干涉
公园里，孩子们吹出的肥皂泡在阳光下呈现出绚烂的色彩，这个日常生活中随处可见的美丽景象，不禁引人好奇：这绚丽的色彩究竟从何而来？难道是肥皂水本身带有颜色吗？
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图1：彩色肥皂泡（图源：Light科普坊/Veer）
答案并非如此。肥皂泡表面的绚丽色彩不是颜料染出的，而是光波与肥皂泡薄膜发生奇妙互动的结果。让我们仔细看看肥皂泡的构造：它像是一个内部充满空气的气球，但它的“外壳”并非简单的单层结构，而是由肥皂与水混合的多层薄膜结构——最外层和最里层是肥皂分子，中间夹着水层。这种特殊的多层薄膜结构，正是它能呈现绚丽色彩的关键。
那么，光是如何在这种薄膜上“创造”出色彩的呢？让我们来仔细分析一下光所走过的路径，当阳光照射到肥皂泡表面的多层薄膜结构时，一部分光被上表面反射，另一部分会穿过薄膜后被下表面反射，随后会重新相遇并叠加在一起（图2）。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图2：光在薄膜上的反射
关键就在于这次相遇叠加，这个过程在物理学上被称为光的干涉。这个过程就像两束相干光波在进行一场“对话”——当它们“达成共识”（相位相同）时，就会相互增强，形成明亮的条纹；而当它们“意见相左”（相位相反）时，则会相互抵消，产生暗淡的区域，如图3所示。而它们为什么会具有“不同的意见”(不同的相位)呢？从图2可以看到，AB+BC是光线2穿过薄膜的距离，AD是光线1在空气中行进的等效距离，两者之差就是光程差，即相位差的来源。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图3：光的干涉，相长与相消干涉
当我们仔细观察肥皂泡的时候，会发现一些奇特的现象。 为什么肥皂泡在观察角度不同时颜色会变？ 这是因为不同的角度，对应了不同长度的路径，“达成共识”的光的颜色发生了变化。为什么肥皂泡表面每个位置的颜色都不一样（图4）？这是因为薄膜厚度不均，不同的位置对应不同颜色的"达成共识"的光。不同的厚度，究竟对应什么颜色的光呢？
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图4：肥皂泡的表面，不同的地方呈现不同的颜色1
我们可以从极限情况开始分析，当肥皂膜薄到极限时，会发生什么？ 此时光程差接近于零。但由于反射时相位的变化（光从空气（光疏介质）射向肥皂膜（光密介质）时，反射光会发生半波损失，相当于相位变化π），两束光会发生相消干涉，导致反射光强度减弱。因此，非常薄的区域通常呈现黑色或暗淡的颜色。
那么随着膜厚从极薄开始逐渐增加，肥皂泡的颜色会如何变化？此时光程差也会增加，逐渐它可以让波长较短的光（紫色、蓝色）先发生相干相长，这些颜色显现出来。当厚度增加到一定的程度，才逐渐能让波长较长的光（黄色、红色）发生相干相长，让该颜色显现出来。这时候，我们便能明白，肥皂泡较厚的地方会呈现红黄光，而较薄的地方会呈现蓝紫光。
我们已经看到，肥皂泡的绚丽色彩源于光波的干涉。但这引出了一个更深层次的问题： 是不是任何光线叠加都能产生像肥皂泡那样清晰、稳定的干涉图案呢？比如，我们打开两盏普通的台灯照亮同一面墙壁，为什么观察不到明暗相间的条纹？
答案在于光的一个关键特性：相干性。普通光源（如台灯）发出的光波，由无数原子各自独立发光产生，它们的频率略有不同，相位也毫无关联，就像一群没有指挥的乐手各自演奏。当这些“杂乱无章”的光波叠加时，干涉效应会迅速被平均化，我们看到的只是光强的简单叠加。
而要产生清晰可见的干涉图案，光波必须是“相干的”——就像同一指挥棒下的乐手们，保持着一致的节奏和协调的配合。什么是相干光呢？简单来说，相干光要求光波具有相同的频率（单色性）和稳定的相位关系。
在肥皂泡的例子中，每一束阳光经过薄膜的上下表面反射后形成的两束光，它们来自同一束入射光，本质上分享着相同的频率和初始相位，因此它们是相干的，能够产生稳定的干涉图案。而这正是我们能在肥皂泡表面看到绚丽色彩的根本原因。
这种对相干性的理解，是理解所有干涉现象的基础。历史上，托马斯·杨在1801年通过他的经典双缝实验，首次清晰地展示了光的干涉现象，并巧妙地解决了获得相干光源的问题。
干涉的原理：相干性与光的叠加
托马斯·杨在1801年进行的双缝实验（图5）。在这个经典实验中，单色光先通过一个狭缝a，然后再照射到两个平行且间距很近的狭缝b和c上，由于b和 c处的光都来自于同一个“次级”光源a，它们就具有了相同的频率和相对稳定的初始相位关系，从而成为了相干光源。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图5：杨氏双缝干涉实验
这两束相干光从b和c发出后，向各个方向传播，最终在远处的屏幕上相遇。到达屏幕上任意一点的光，从b和c出发所走过的路程（光程）一般是不同的。这个“光程差”（记作δ）是决定该点干涉结果的关键。数学上，干涉的结果由以下条件精确描述：
当光程差满足条件δ= mλ（m= 0, 1, 2,...），即光程差等于波长的整数倍时，两束光到达该点时振动步调完全一致（相位差为2π的整数倍），它们相互加强，发生“相长干涉”，形成“亮纹”。
当光程差满足条件δ=(m+1/2)λ（m= 0, 1, 2,...），即光程差等于半波长的奇数倍时，两束光到达该点时振动步调正好相反（相位差为π的奇数倍），它们相互抵消，发生“相消干涉”，形成“暗纹”。
这些精确的数学关系解释了为什么干涉条纹是等间距的，也说明了为什么红光（波长较长）产生的条纹比蓝光（波长较短）的条纹更宽。
干涉测量的"放大效应"
干涉技术的神奇之处，在于它独特的“信号放大”能力，这也是它成为精密测量基石的核心原因。不同于传统意义上的电子放大器，干涉仪利用对相位变化的极高敏感性，把看似难以察觉的微小物理变化，转化为肉眼或仪器可清晰分辨的干涉强度变化。
这是因为光的波长通常仅为几百纳米，光程每变化几十纳米，相位就可能发生显著偏移，从而改变干涉图样的亮暗分布。例如，当相位差变化达到π（半个波长）时，干涉结果就会从最亮变为最暗，或反之。这种由微小光程差引起的干涉强度变化，是一个极其灵敏的物理过程，相当于将不可直接感知的亚波长变化“放大”为清晰可测的信号。
基于干涉测量放大的原理，科学家们设计了多种精密干涉仪，以马赫-曾德尔干涉仪，如图6所示，通过两个分束镜将激光分成两束后沿不同路径传播，再在另一个分束镜处重新汇合，产生干涉。这种分振幅法设计使得微小的光程变化能转化为显著的干涉图样变化——即使是几十纳米的路径差异，也足以使干涉的强度发生显著变化，实现了物理信号的巨大放大效应。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图6：马赫-曾德尔干涉仪（图源：C. Orzel/Union College）
微型化革命：芯片上的干涉技术
01
硅光子波导：光在芯片上的传输
传统干涉仪（如马赫-曾德尔型、迈克尔逊型）虽然传感精度高，但依赖空间光路结构，体积庞大，实际应用受限。能否将它们缩小成芯片大小？关键在于解决一个问题：如何让光在芯片上传播？
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图7：用于传感的硅芯片2
就像水在水管中流动、燃气通过管道输送一样，光在光纤中也有“专属通道”——它通过全反射的方式被“关在”光纤内部，实现高效传播。这一原理同样适用于芯片中的光传输，硅光芯片通过刻蚀形成脊形或条形波导，形成所谓的光波导。利用硅的高折射率特性（比包层材料更高），就像是“墙壁”更光滑、反弹更强的通道，就能实现光信号的高效传输。只要精确设计波导尺寸，如图7所示，光就能被牢牢"锁"在波导结构中传输。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图8：硅波导结构，左图为条型波导，右图为脊型光波导（图源：作者手绘）
02
芯片级干涉仪设计与原理
在硅芯片刻出光波导后，便可以通过集成芯片上的分束器、反射器等结构，构建芯片级干涉仪。当干涉臂的环境发生变化时，例如气体或液体引起的折射率变化，或温度引起的变化，会改变光程，最终影响干涉光的光强，将环境微小的变化反映到光强变化上。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图9：基于硅的马赫-曾德尔干涉仪（图源：作者手绘）
03
新型结构：提升传感性能
除了传统的干涉仪结构，新型设计如微环谐振腔和光子晶体显著提升了芯片级干涉仪的性能：
微环谐振腔：通过将光耦合进入环形结构，光如同在跑道上反复转圈。这种设计的巧妙之处在于，光反复经过同一段路程，不仅多次"感受"环境变化提高了灵敏度，同时，由于光在腔内反复利用，所需的波导长度大大缩短，使器件整体尺寸更小，便于集成到各类光子芯片中。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图10：硅波导微环的扫描电子显微镜照片3
光子晶体：是一种具有周期性结构的材料，可类比为一段崎岖不平的道路。当光经过这段道路时，速度减慢，形成所谓的“慢光”效应。由于光在材料中停留时间更长，使传感器有更多时间"感知"环境变化，提高灵敏度。此外，光子晶体传感器体积小巧，在生物检测、环境监测中更具优势。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图11：光子晶体波导的扫描电子显微镜照片4
小百科：干涉仪灵敏度有多高？
对于硅芯片传感器，在测量温度时，其精度可以达到毫开尔文（mK，即千分之一开尔文温度）量级甚至更高，能精准捕捉细微的温度波动。对于生化传感应用，它能探测到极其微弱的折射率变化，精度通常优于10⁻⁵RIU（RIU，Refractive Index Unit，是折射率单位，10⁻⁵RIU 意味着可以检测到折射率小数点后五位的变化）。
干涉仪：在科学仪器中的应用和发展
01
引力波探测器
凭借非接触、高灵敏度的优势，干涉测量技术已成为现代精密仪器的核心技术。在精密制造领域，激光干涉仪能够以纳米级精度控制光刻机工作台的位置，确保集成电路制造的精准性。而在宏观尺度上，这一相同的物理原理被应用于人类最宏伟的科学探索之一——引力波探测。
美国LIGO实验室建造了两个拥有4公里长干涉臂的激光干涉仪，分别位于相距3000公里的两个观测站，共同工作以检测引力波。当引力波穿过干涉仪时，会以极其微弱的方式拉伸或压缩时空，导致两条干涉臂的长度发生微小差异，从而改变激光在臂中传播的光程。这种“拉长一边、压缩另一边”的效应正是引力波存在的直接信号。
在其最灵敏状态下，LIGO能够探测到镜子之间距离变化仅为质子直径万分之一的微小变化！这一惊人的精度相当于能够测量到距地球最近的恒星（约4.2光年远）的距离，精确到比人类头发丝还细的程度。正是这种极致的精密测量能力，使科学家们能够首次直接观测到由两个黑洞合并产生的引力波，开启了引力波天文学的新时代。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图12：LIGO汉福德天文台的鸟瞰照片（拍摄于2023年），展示了仪器的规模以及“中心站”（激光产生处）和一条干涉臂“端站”的位置，至关重要的测试质量镜就位于端站。（图片来源：Caltech/MIT/LIGO实验室）
02
光刻机
在半导体制造领域，干涉仪技术同样发挥着不可替代的作用。现代光刻机是芯片制造的核心设备，它需要在硅晶圆上曝光数十层精密图形，而每一层都必须精确对准，误差不能超过几纳米。为实现这种精度，光刻机配备了多套激光干涉仪系统，它们连续监测工作台的位置和姿态变化，提供实时反馈。当系统检测到微小偏差时，系统会立即进行补偿调整，确保曝光精度。例如，在曝光过程中，如果由于热膨胀或震动导致平台位置发生微小漂移，干涉仪就能迅速捕捉并修正这些变化。正是这种基于干涉原理的精密测量系统，使得今天的高端芯片能够在指甲盖大小的区域内集成数百亿个晶体管，推动了信息技术的飞速发展。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图13：激光干涉仪在光刻机中用于高精度测量和校准工件台的位置及运动轨迹，确保曝光时晶圆与掩模的精准对准。（图源：ASML）
03
医学成像
除了天文探索和精密制造，干涉仪在生物医学领域也有着广泛的应用，它主要通过光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography, OCT）实现，通过将光分成参考臂和样品臂，样品臂的光照射到生物组织上，然后扫描参考臂的长度，可以获得组织内部不同深度的结构信息，形成类似超声的断层图像。由于OCT具有无创、高精度的特点，广泛应用于眼科、皮肤科以及心血管等领域，成为现代医学诊断的重要工具之一。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图14：OCT（光学相干层析成像），激光干涉在OCT中用于检测样品反射或散射光的相位和振幅信息，通过干涉信号重建高分辨率断层图像。（图源：Optovue）
干涉技术的未来：挑战与突破
干涉技术的未来充满机遇，但也面临诸多挑战。一方面，更高精度的干涉测量将推动科学研究的边界，例如在引力波探测、量子计算和精密导航等领域。另一方面，小型化、低成本的干涉设备将拓展其在工业检测、环境监测和生物医学成像等领域的应用。未来的突破可能来自于新材料、芯片化集成、以及人工智能辅助的复杂信号分析，它们将释放干涉技术在各个领域的巨大潜力，为我们带来更深刻的科学认知和更便捷的生活体验。
参考文献
[1]https://www.explainthatstuff.com/thin-film-interference.html
[2]https://site.uit.no/onchipsensing/
[3]Li, Qiang, et al. "Dense wavelength conversion and multicasting in a resonance-split silicon microring." Applied Physics Letters 93.8 (2008).
[4]Lin, Che-Yun, et al. "Group velocity independent coupling into slow light photonic crystal waveguide on silicon nanophotonic integrated circuits." Optoelectronic Interconnects and Component Integration XI. Vol. 7944. SPIE, 2011.
来源：中国光学
编辑：亦山
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号