干涉仪的工作原理与应用

创作时间:

作者:

@小白创作中心

干涉仪的工作原理与应用

引用

51CTO

https://blog.51cto.com/u_14405/13676894

第1章干涉仪概述

1.1 什么是干涉仪

干涉仪是一类广泛使用的实验技术，其基本思想是利用波的叠加性来获取波的相位信息，从而测量相关的物理量。干涉仪的应用范围非常广泛，包括天文学、光学、工程测量、海洋学、地震学、波谱分析、量子物理实验、遥感、雷达等精密测量领域。

干涉仪通过利用光的干涉原理生成干涉条纹，进而反向推算出所关心的物理量，如距离、折射率、镜片平整性、长度等。

1.2 基本原理

具有固定相位差的两列准单色波的叠加会导致振幅发生变化，因此可以通过测量较容易测量的振幅来获取波的相位信息。

两列具有相同频率的波在某一点的振动可以用以下公式描述：

其中，叠加后的振幅与两列波的初始相位差有关。由于幅度变化依赖于相位差的余弦函数，这种幅度的变化有时会在空间上表现为周期性的条纹，称为干涉条纹。相位差的变化会引起条纹的移动，这种现象称为条纹移动。

1.3 分类

干涉仪可以根据不同的标准进行分类：

按照结构区分：
单路径干涉仪：干涉的波通过同一路径传播。
多路径干涉仪：干涉的波通过不同路径传播。
例如，迈克尔逊干涉仪是常见的多路径干涉仪，而Sagnac干涉仪、等倾干涉和等厚干涉等属于单路径干涉仪。
按照干涉光来源区分：
波前分解：利用波前上不同位置的子波源形成干涉。
幅度分解：不利用波前上不同位置的子波源形成干涉。
例如，杨氏双缝干涉属于波前分解干涉仪，而等倾干涉和等厚干涉属于幅度分解干涉仪。

1.4 应用

干涉仪的应用极为广泛，主要有以下几个方面：

长度测量：在双光束干涉仪中，若介质折射率均匀且保持恒定，则干涉条纹的移动是由两相干光几何路程之差发生变化所造成，根据条纹的移动数可进行长度的精确比较或绝对测量。迈克耳孙干涉仪和法布里-珀罗干涉仪曾被用来以镉红谱线的波长表示国际米。
折射率测定：两光束的几何路程保持不变，介质折射率变化也可导致光程差的改变，从而引起条纹移动。瑞利干涉仪就是通过条纹移动来对折射率进行相对测量的典型干涉仪。应用于风洞的马赫-秦特干涉仪被用来对气流折射率的变化进行实时观察。
波长的测量：任何一个以波长为单位测量标准米尺的方法也就是以标准米尺为单位来测量波长的方法。以国际米为标准，利用干涉仪可精确测定光波波长。法布里-珀罗干涉仪（标准具）曾被用来确定波长的初级标准（镉红谱线波长）和几个次级波长标准，从而通过比较法确定其他光谱线的波长。
检验光学元件：泰曼干涉仪被普遍用来检验平板、棱镜和透镜等光学元件的质量。在泰曼干涉仪的一个光路中放置待检查的平板或棱镜，平板或棱镜的折射率或几何尺寸的任何不均匀性必将反映到干涉图样上。若在光路中放置透镜，可根据干涉图样了解由透镜造成的波面畸变，从而评估透镜的波像差。
引力波测量：干涉仪也可以用于引力波探测。激光干涉仪引力波探测器的概念是前苏联科学家Gertsenshtein和Pustovoit在1962年提出的。1969年美国科学家Weiss和Forward则分别在1969年即于麻省理工和休斯实验室建造初步的试验系统。截止今日，激光干涉仪引力波探测器已经发展了40余年。目前LIGO激光干涉仪实验宣称首次直接测量到了引力波。LIGO可以认为是两路光线的干涉仪，而另外一类引力波探测实验，脉冲星测时阵列则可认为是多路光线干涉仪。
其他：用作高分辨率光谱仪。法布里-珀罗干涉仪等多光束干涉仪具有很尖锐的干涉极大，因而有极高的光谱分辨率，常用作光谱的精细结构和超精细结构分析。

1.5 干涉仪的类型

非共路干涉仪：探测光和放射光是走的不同路径。
共路干涉仪：探测光和放射光是走的相同路径。

第2章常见光干涉仪

光干涉仪的基本原理如下：

打开发光的光源
通过设定特定的光路
在检测器端检测到干涉条纹
把光信号转换成计算机图像
通过计算机对图像进行分析，根据干涉条纹的形状，计算对应的物理量

其中，第五步是难点。

2.1 迈克尔逊干涉仪

迈克尔逊干涉仪是由美国物理学家迈克尔逊和莫雷于1881年设计制造的精密光学仪器，最初用于研究“以太”漂移。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。

主要用于长度和折射率的测量，若观察到干涉条纹移动一条，便是M2的动臂移动量为λ/2，等效于M1与M2之间的空气膜厚度改变λ/2。在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用。利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。

在上图中，蓝色与红色两个路径的光，在检测器端产生干涉，移动动镜面，获得不同的干涉条纹的形状。从而，根据获得不同的干涉条纹的形状推算出动镜的移动距离。

S为点光源，M1（上边）、M2（右边）为平面全反射镜，其中M1是定镜；M2为动镜，它和精密螺丝相连，转动鼓轮可以使其向前后方向移动，最小读数为10mm，可估计到10mm,。M1和M2后各有3个小螺丝可调节其方位。G1（左）为分光镜，其右表面镀有半透半反膜，使入射光分成强度相等的两束（反射光和透射光）。反射光和透射光分别垂直入射到全反射镜M1和M2，它们经反射后回到G1（左）的半透半反射膜处，再分别经过透射和反射后，来到观察区域E。G2（右）为补偿板，它与G1为相同材料，有相同的厚度，且平行安装，目的是要使参加干涉的两光束经过玻璃板的次数相等，两束光在到达观察区域E时没有因玻璃介质而引入额外的光程差。当M2和M1'严格平行时，表现为等倾干涉的圆环形条纹，移动M2时,会不断从干涉的圆环中心“吐出”或向中心“吞进”圆环。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时，中心就会“吐出”一个个条纹；反之则“吞进”。M2和M1'不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，移动M2时，条纹不断移过视场中某一标记位置，M2平移距离 d 与条纹移动数 N 的关系满足：d=Nλ/2，λ为入射光波长。

经M2反射的光三次穿过G2分光板，而经M1反射的光通过G2分光板只一次。G1补偿板的设置是为了消除这种不对称。在使用单色光源时，可以利用空气光程来补偿，不一定要补偿板；但在复色光源时，由于玻璃和空气的色散不同，补偿板则是不可或缺的。

如果要观察白光的干涉条纹，臂基本上完全对称，也就是两相干光的光程差要非常小，这时候可以看到彩色条纹；假若M1或M2有略微的倾斜，就可以得到等厚的交线处（d=0）的干涉条纹为中心对称的彩色直条纹，中央条纹由于半波损失为暗条纹。

迈克尔逊和爱德华·威廉姆斯·莫雷使用这种干涉仪于1887年进行了著名的迈克耳逊-莫雷实验，并证实了以太的不存在。