如何認(rèn)識金相分析中的薄膜干涉技術(shù)應(yīng)用
金相技術(shù)中，涉及光學(xué)現(xiàn)象很多。其中，幾何光學(xué)很簡單；薄膜干涉技術(shù)、偏振光技術(shù)，既有應(yīng)用，又是理解方面的難點(diǎn)。我們這里只論薄膜干涉現(xiàn)象。
作為非光學(xué)專業(yè)的學(xué)生，中學(xué)、大學(xué)都接觸過薄膜干涉現(xiàn)象，直至工作，算起來，歷經(jīng)二十余年。結(jié)果，始終是一頭霧水，理不清楚。大約兩年前，神差鬼使，借了一本光學(xué)專業(yè)的研究生教材，看過有關(guān)干涉、薄膜干涉、衍射部分的內(nèi)容后，心中的滋味很難言表；很想****。大學(xué)的時(shí)候，選用的是高等教育出版社出版的《普通物理》，程守洙、江之水編。第十七章，光的干涉，算上習(xí)題，總共39頁。到現(xiàn)在，我的想法并不是要搞清楚薄膜干涉現(xiàn)象本身，而是想說明一些其他的問題。
對于薄膜干涉現(xiàn)象，可以說，始終是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)（檢索、看看有關(guān)論文，即可知道）。這里既有學(xué)科本身發(fā)展的局限，也有教材、教師本身的不足。如果將光學(xué)專業(yè)的《光學(xué)》教材與非光學(xué)專業(yè)的普通物理中有關(guān)光學(xué)部分的干涉內(nèi)容進(jìn)行對比的話，一個(gè)最顯而易見的問題就是，為什么普通物理中，該說的話不說？？ 我不會沒有自知之明，想要說明白干涉問題。不過，在看了一些資料后，對于教學(xué)的架構(gòu)還是有一些自己的想法。
一個(gè)最大的遺憾就是，我們無法知道Thomas Young試驗(yàn)的發(fā)展過程。對于機(jī)械波和無線電波，很容易實(shí)現(xiàn)相干。而光波的相干卻只有采用特殊的裝置才能實(shí)現(xiàn)。1801年，Thomas Young首次觀察到了光的干涉，從而證明了光的波動(dòng)性。但是，我們無法知道是怎樣的靈感驅(qū)使他實(shí)現(xiàn)了光的相干，不過，通過對他的實(shí)驗(yàn)裝置的分析，我們可以對光的相干性的物理本質(zhì)有深刻的了解。
基礎(chǔ)觀點(diǎn)：所有涉及的概念，都需要明確，在現(xiàn)有理論、假設(shè)的基礎(chǔ)上，我們探討現(xiàn)象、問題的出發(fā)點(diǎn)是什么。
學(xué)習(xí)次序：
[1] 光源中總是包含大量的原子，總是有大量的原子同時(shí)發(fā)光，不同原子所發(fā)的光波（即，波列），都有隨意的傳播方向、振動(dòng)方向、相位和頻率。所以，不同原子在同一時(shí)刻所發(fā)出的光波是不相干的；同一原子在不同時(shí)刻所發(fā)出的光波也是不相干的。即普通光源所發(fā)的光都是不相干的。所以，在通常情況下看不到光的干涉。即普通光源所發(fā)的光在相遇時(shí)總是強(qiáng)度相加，不會產(chǎn)生干涉，出現(xiàn)光強(qiáng)的重新分布。首先要確定波列的概念，在此就要明確。
[2] 干涉是一列一列分立的光波之間的相干疊加；干涉是一列光波自己和自己的干涉；干涉的結(jié)果，使得光的能量在空間重新分布，形成一系列明暗交錯(cuò)的干涉條紋；干涉之后的光波場仍然是定態(tài)波場（波場的概念需要解釋，或者不提）。
對于普通的光源，要想得到相干光，只有一種方法，就是設(shè)法將同一個(gè)原子在同一時(shí)刻所發(fā)出的一列光波分為幾部分，這幾部分光波由于來自同一列光波，所以具有相同的頻率、固定的相位差，而且存在相互平行的振動(dòng)分量，就是相干的。這就是干涉的物理本質(zhì)。所以，也可以說，干涉是一列光波自己和自己的干涉，也只有自己和自己之間才有可能發(fā)生干涉（也并不是絕對的，激光的出現(xiàn)，打破了這一禁忌；對于光的本質(zhì)的研究也有新的認(rèn)識）。光源所發(fā)出的大量光波，其中的每一列都與自己干涉，形成一個(gè)干涉花樣，有一個(gè)光強(qiáng)分布；不同的光波之間，則是各自干涉后所形成的干涉花樣的強(qiáng)度疊加。
[3] 相干光源的獲得；點(diǎn)光源的概念
[4] 從一個(gè)波列的相干開始解釋，再擴(kuò)展到一個(gè)光源；再擴(kuò)展到不同的光源
[5] 薄膜干涉。需要解釋的問題：薄膜為什么必須很?。奎c(diǎn)光源的概念？波列的影響（相干長度）？薄膜干涉是一個(gè)終結(jié)了的問題，還是存在不同的解釋？楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中的物理尺度（基本看不到有關(guān)于狹縫的感性認(rèn)識的尺度數(shù)據(jù)）？
[6] 對于獲得穩(wěn)定干涉的必要條件：（1）兩束光的頻率相同；（2）兩束光的振動(dòng)方向相同；（3）在疊加處兩束光的振動(dòng)有恒定的位相差（源自：華中師范大學(xué)網(wǎng)站）。需要做出必要的解釋。比如，頻率相同，是否是理論上的絕對相同，譜線寬度的影響會造成什么現(xiàn)象（注：實(shí)際上，兩個(gè)獨(dú)立的單色激光光源成為相干光源的可能性，也許就在這里）
[7] 非專業(yè)同學(xué)涉及的內(nèi)容，避免數(shù)學(xué)推導(dǎo)。
[8] 多舉出試驗(yàn)事例、工程應(yīng)用；細(xì)節(jié)注意，量化的指標(biāo)；數(shù)學(xué)推導(dǎo)結(jié)論的工程應(yīng)用。
[9] 多定性，少定量。（對于光的本性，還處于探索階段）
[10] 舉例、示意圖，必須完整，不能缺少可信的環(huán)節(jié)（從光源開始，直到人眼可觀察）。
[11] 有實(shí)際的照片，就最好；不要總是示意圖。
[12] 干涉條文的定域概念，需要介紹。如同顯微鏡中虛像、實(shí)像的效果，人眼不可分辨一樣，干涉效果的交匯，是實(shí)匯，還是虛匯，需要交代清楚。
現(xiàn)在，大學(xué)生多采用《大學(xué)物理學(xué)》，我手上的是[張三惠主編，清華大學(xué)出版社]的第四冊，波動(dòng)與光學(xué)。比較幸運(yùn)的是，上述問題的交待有了質(zhì)的提升。不過，有關(guān)光的干涉也只是46頁。粗略瀏覽了一下，輕松理解干涉、薄膜干涉，估計(jì)困難。最大的困難就是，本書也沒有從光源、波列開始；其次，楊氏雙縫的分波陣面法與波列如何溝通（示意圖的解釋），也是完全沒有說明。因?yàn)椋v到波列，通常的示意圖是圖1，楊氏干涉示意圖是圖2。波列與楊氏干涉的溝通，必須要涉及波列示意的變換，以及衍射的問題。
圖1 波列示意圖
圖2 楊氏干涉示意圖
類似下面的示意圖（很常見），簡單計(jì)算光程差時(shí)可以使用，但是，成像機(jī)理的解釋，這個(gè)形式的示意圖極其不完整。如果僅僅面對這樣一個(gè)示意圖，去理解薄膜干涉，實(shí)在是牽強(qiáng)。
圖3
化學(xué)浸蝕沉積膜法（也稱化學(xué)染色法）中，介紹成像的示意圖，一般如下。
圖4 彩色金相中，空氣-膜-金屬類型的干涉效應(yīng)示意圖（自繪）
ASM Handbook Committee．ASM Handbook Volume 9:Metallography and Microstructures中，介紹Interference Films的時(shí)候，采用的示意圖，如下所示，也差不多。
Fig. 2 The function of a physically deposited interference layer. Contrast between phase A and B is achieved by optimizing the refractive index (ns) and absorption coefficient (ks) of the layer with respect to the optical constants of the phases (nA, kA, nB, kB) and adjusting the layer thickness, ds.
圖5
這些示意圖簡直就是強(qiáng)塞給你，沒有任何鋪墊，只有被動(dòng)接受，還是莫名其妙的接受。
如果只是依照普通物理（現(xiàn)在可能是《大學(xué)物理學(xué)》）中的內(nèi)容介紹，不明白光的干涉、薄膜干涉理論是正常的；理解了才是可笑的。不過，張三慧編寫的大學(xué)物理學(xué)中的等傾干涉示意圖，類似圖6，終于加上了透鏡，使大家不再會誤以為平行光線永不相交。
圖6
先有現(xiàn)象，現(xiàn)象是真實(shí)的；后有解釋，解釋在很多時(shí)候是牽強(qiáng)的、有時(shí)效性的，需要批判地接受。
國內(nèi)教材的一個(gè)問題是，編者不喜歡列出參考文獻(xiàn)，更不要說，在章節(jié)不同位置必要的地方注明出處。同時(shí)，明確表明現(xiàn)階段理論的局限性，似乎更是罕見。熱衷于數(shù)學(xué)推導(dǎo)（感覺更多的是抄來抄去），而不能用語言表述物理意義。應(yīng)該讓大學(xué)生參與教材內(nèi)容的確定，尤其是學(xué)習(xí)吃力的同學(xué)，了解同學(xué)理解困難的關(guān)鍵點(diǎn)。還有，如果需要應(yīng)用到前面的知識，應(yīng)當(dāng)隨時(shí)指出可以參考的章節(jié)，方便同學(xué)（讀者）。
另外，光波的干涉，與可見的、穩(wěn)定的、可見干涉條紋，簡單說，是兩回事情。也就是說，我們看不見干涉條紋，并不是說，光波沒有存在干涉現(xiàn)象；看見了干涉條紋，并非只此才叫干涉，只是在特定條件下的光波干涉的顯現(xiàn)。
如果楊氏干涉的示意圖如下所示，也算是匪夷所思、似是而非；過于生活化了。
金相分析中薄膜干涉技術(shù)的使用，還是著力于經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的總結(jié)、試錯(cuò)的總結(jié)；模糊基礎(chǔ)分析，完全不必要求同學(xué)理解薄膜干涉的光學(xué)原理，否則，也是強(qiáng)人所難（問題，也并不是出在同學(xué)身上）。
注：除了特別說明，所有示意圖，均來自于網(wǎng)絡(luò)、期刊、書籍；非本人所繪制。
