差频(英文:beat note)一词来源于物理学上两个
频率相近但不同的
波的
干涉,所得到的干涉信号的
频率是原先两个波的频率之差,因此叫做差频。在
国际单位制里,频率的单位——赫兹 (
英语:Hertz,简写为Hz),是以德国物理学家
海因里希·赫兹(
英语:Heinrich Rudolf Hertz, 1857年2月22日-1894年1月1日)而命名。1赫兹(Hz)表示事件每一秒发生一次。其他用来表示频率的单位还有:旋转机械器材领域采用的传统衡量单位为
每分钟转速(rpm)等。在医学里,
心率以“次/分钟”(bpm)为单位。
频率(英语:Frequency)是单位
时间内某事件重复发生的次数,在
物理学中通常以符号 或 表示。采用
国际单位制,其单位为
赫兹(
英语:Hertz,简写为Hz)。设 时间内某事件重复发生 次,则此事件发生的频率为 赫兹。又因为
周期定义为重复事件发生的最小时间间隔,故频率也可以表示为周期的
倒数:
为了方便起见,较长较慢的波,像海洋表面的
面波,通常是以周期来描述其波动性质。较短较快的波,像微波和无线电波,通常是以频率和波长来描述其波动性质。
在
国际单位制里,频率的单位——赫兹 (
英语:Hertz,简写为Hz),是以德国物理学家
海因里希·赫兹(
英语:Heinrich Rudolf Hertz, 1857年2月22日-1894年1月1日)而命名。1赫兹(Hz)表示事件每一秒发生一次。
其他用来表示频率的单位还有:旋转机械器材领域采用的传统衡量单位为
每分钟转速(rpm)等。在医学里,
心率以“次/分钟”(bpm)为单位。
辐射能(
英语:radiant energy)是
电磁波传播的能源。太阳或电光源都是辐射能的源头。人类的光学感测器(眼睛)能够分辨的光波称为
可见光,是由几种颜色(红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫)组成;其中每一种颜色都有特定的
频带(
英语:frequency band)。可见光在整个
电磁辐射的
频谱中只占有一小部分。
紫外线(UV)的频率大于可见光,无法以肉眼看到;又
红外线(IR)的频率小于可见光,也必须利用
夜视镜和其他热感测设备才能观测得到。大于紫外线频率的电磁辐射有
X射线和
伽马射线。小于红外线频率的有
微波和
无线电波,频带为
兆赫和
千赫,以及频带为毫赫和微赫的自然波。频率为2毫赫的波,其波长大约等于从地球到太阳的距离。微赫波的波长大约为0.0317
光年。
纳赫波的波长大约为31.6881光年。
按照频率高低,从低频长波开始,电磁波可以分类为
电能、
无线电波、
微波、
红外线、
可见光、
紫外线、X-射线和
伽马射线等等。普通实验使用的
光谱仪就足以分析从120太赫兹到150000太赫兹频率的电磁波。使用这种仪器,可以得知物体、气体或甚至恒星的详细物理性质。这是
天文物理学的必备仪器。例如,因为超精细分裂(
英语:hyperfine splitting),
氢原子会发射1.42吉赫兹的无线电波。
例如采用
分束器将一束
单色光束分成两束后,再让它们在空间中的某个区域内重叠,将会发现在重叠区域内的
光强并不是均匀分布的:其明暗程度随其在空间中位置的不同而变化,最亮的地方超过了原先两束光的光强之和,而最暗的地方光强有可能为零,这种光强的重新分布被称作“干涉条纹”。在历史上,干涉现象及其相关实验是证明光的
波动性的重要依据,但光的这种干涉性质直到十九世纪初才逐渐被人们发现,主要原因是相干光源的不易获得。
为了获得可以观测到可见光干涉的相干光源,人们发明制造了各种产生相干光的光学器件以及干涉仪,这些干涉仪在当时都具有非常高的测量精度:
阿尔伯特·迈克耳孙就借助
迈克耳孙干涉仪完成了著名的
迈克耳孙-莫雷实验,得到了
以太风观测的零结果。迈克耳孙也利用此干涉仪测得标准米尺的精确长度,并因此获得了1907年的
诺贝尔物理学奖。而在二十世纪六十年代之后,
激光这一高强度相干光源的发明使
光学干涉测量技术得到了前所未有的广泛应用,在各种精密测量中都能见到
激光干涉仪的身影。人们知道,两束
电磁波的干涉是彼此振动的电场强度矢量叠加的结果,而由于光的
波粒二象性,光的干涉也是
光子自身的
几率幅叠加的结果。
两列波在同一
介质中传播发生重叠时,重叠范围内介质的
质点同时受到两个波的作用。若波的
振幅不大,此时重叠范围内介质质点的
振动位移等于各别波动所造成位移的
矢量和,这称为
波的叠加原理。若两波的
波峰(或
波谷)同时抵达同一地点,称两波在该点同相,干涉波会产生最大的振幅,称为相长干涉(建设性干涉);若两波之一的
波峰与另一波的
波谷同时抵达同一地点,称两波在该点反相,干涉波会产生最小的振幅,称为相消干涉(摧毁性干涉)。
理论上,两列无限长的单色波的叠加总是能产生干涉,但实际物理模型中产生的
波列不可能是无限长的,并从波产生的微观机理来看,波的振幅和相位都存在有随机涨落,从而现实中不存在严格意义的单色波。例如
太阳所发出的光波出自于
光球层的
电子与
氢原子的相互作用,每一次作用的时间都在10秒的数量级,则对于两次发生时间间隔较远所产生的波列而言,它们无法彼此发生干涉。基于这个原因,可以认为太阳是由很多互不相干的点光源组成的扩展光源。从而,太阳光具有非常宽的频域,其振幅和相位都存在着快速的随机涨落,通常的物理仪器无法跟踪探测到变化如此之快的涨落,因此无法通过太阳光观测到光波的干涉。类似地,对于来自不同光源的两列光波,如果这两列波的振幅和相位涨落都是彼此不相关的,称这两列波不具有
相干性。相反,如果两列光波来自同一点光源,则这两列波的涨落一般是彼此相关的,此时这两列波是完全相干的。
如要从单一的不相干波源产生相干的两列波,可以采用两种不同的方法:一种称为波前分割法,即对于几何尺寸足够小的波源,让它产生的波列通过并排放置的狭缝,根据
惠更斯-菲涅耳原理,这些在
波前上产生的子波是彼此相干的;另一种成为波幅分割法,用半
透射、半
反射的半镀银镜,可以将光波一分为二,制造出透射波与反射波。如此产生的反射波和透射波来自于同一波源,并具有很高的相干性,这种方法对于扩展波源同样适用。