光學(xué)干涉儀簡(jiǎn)介
干涉儀是利用光學(xué)干涉原理測(cè)量光程之差從而測(cè)定有關(guān)物理量的精密光學(xué)儀器。一般來(lái)說(shuō), 只要是利用光干涉的原理來(lái)量測(cè)的儀器便可以稱為干涉儀。
兩束相干光間光程差的任何變化會(huì)非常靈敏地導(dǎo)致干涉條紋的移動(dòng)，而某一束相干光的光程變化是由它所通過(guò)的幾何路程或介質(zhì)折射率的變化引起，所以通過(guò)干涉條紋的移動(dòng)變化可測(cè)量幾何長(zhǎng)度或折射率的微小改變量，從而測(cè)得與此有關(guān)的其他物理量。測(cè)量精度決定于測(cè)量光程差的精度，干涉條紋每移動(dòng)一個(gè)條紋間距，光程差就改變一個(gè)波長(zhǎng)，所以干涉儀是以光波波長(zhǎng)為單位測(cè)量光程差的，其測(cè)量精度之高是任何其他測(cè)量方法所的。
干涉儀分雙光束干涉儀和多光束干涉儀兩大類，前者有瑞利干涉儀、邁克爾遜干涉儀及其變型泰曼干涉儀、馬赫-秦特干涉儀等，后者有法布里-珀涉儀等。
干涉儀的應(yīng)用極為廣泛，主要有如下幾方面：
長(zhǎng)度的精密測(cè)量在雙光束干涉儀中，若介質(zhì)折射率均勻且保持恒定，則干涉條紋的移動(dòng)是由兩相干光幾何路程之差發(fā)生變化所造成，根據(jù)條紋的移動(dòng)數(shù)可進(jìn)行長(zhǎng)度的精確比較或測(cè)量。邁克爾遜干涉儀和法布里-珀涉儀曾被用來(lái)以鎘紅譜線的波長(zhǎng)表示國(guó)際米。
折射率的測(cè)定兩光束的幾何路程保持不變，介質(zhì)折射率變化也可導(dǎo)致光程差的改變，從而引起條紋移動(dòng)。瑞利干涉儀就是通過(guò)條紋移動(dòng)來(lái)對(duì)折射率進(jìn)行相對(duì)測(cè)量的典型干涉儀。應(yīng)用于風(fēng)洞的馬赫-秦特干涉儀被用來(lái)對(duì)氣流折射率的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。
波長(zhǎng)的測(cè)量任何一個(gè)以波長(zhǎng)為單位測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)米尺的方法也就是以標(biāo)準(zhǔn)米尺為單位來(lái)測(cè)量波長(zhǎng)的方法。以國(guó)際米為標(biāo)準(zhǔn)，利用干涉儀可精確測(cè)定光波波長(zhǎng)。法布里-珀涉儀（標(biāo)準(zhǔn)具）曾被用來(lái)確定波長(zhǎng)的初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（鎘紅譜線波長(zhǎng)）和幾個(gè)次級(jí)波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)，從而通過(guò)比較法確定其他光譜線的波長(zhǎng)。
檢驗(yàn)光學(xué)元件的質(zhì)量泰曼干涉儀被普遍用來(lái)檢驗(yàn)平板、棱鏡和透鏡等光學(xué)元件的質(zhì)量。在泰曼干涉儀的一個(gè)光路中放置待檢查的平板或棱鏡，平板或棱鏡的折射率或幾何尺寸的任何不均勻性必將反映到干涉圖樣上。若在光路中放置透鏡，可根據(jù)干涉圖樣了解由透鏡造成的波面畸變，從而評(píng)估透鏡的波像差。
其他應(yīng)用用作高分辨率光譜儀。法布里-珀涉儀等多光束干涉儀具有很尖銳的干涉，因而有的光譜分辨率，常用作光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)分析。
19世紀(jì)的波動(dòng)論者認(rèn)為光波或電磁波必須在彈性介質(zhì)中才得以傳播，這種假想的彈性介質(zhì)稱為以太。人們做了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證以太的存在并探求其屬性。以干涉原理為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)精確，其中名的是菲佐實(shí)驗(yàn)和邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。1851年，a.h.l.菲佐用特別設(shè)計(jì)的干涉儀做了關(guān)于運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的光速的實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)明運(yùn)動(dòng)介質(zhì)是否曳引以太。1887年，a.a.邁克爾遜和e.w.莫雷合作利用邁克爾遜干涉儀試圖檢測(cè)地球相對(duì)靜止的以太的運(yùn)動(dòng)。對(duì)以太的研究為a.愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論提供了佐證。
幾種典型的光學(xué)干涉儀
一 邁克爾遜干涉儀
邁克爾遜干涉儀,是1883年美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設(shè)計(jì)制造出來(lái)的精密光學(xué)儀器。它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉。通過(guò)調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋。主要用于長(zhǎng)度和折射率的測(cè)量，若觀察到干涉條紋移動(dòng)一條，便是m2的動(dòng)臂移動(dòng)量為λ/2，等效于m1與m2之間的空氣膜厚度改變λ/2。在近代物理和近代計(jì)量技術(shù)中，如在光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究和用光波標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)米尺等實(shí)驗(yàn)中都有著重要的應(yīng)用。
如圖所示為邁克爾遜干涉儀的光學(xué)原理圖，經(jīng)m2反射的光三次穿過(guò)分光板，而經(jīng)m1反射的光只通過(guò)分光板一次。補(bǔ)償板的設(shè)置是為了消除這種不對(duì)稱。在使用單色光源時(shí)，可以利用空氣光程來(lái)補(bǔ)償，不一定要補(bǔ)償板；但在復(fù)色光源時(shí)，由于玻璃和空氣的色散不同，補(bǔ)償板則是*的。
如果要觀察白光的干涉條紋，基本上*對(duì)稱，也就是兩相干光的光程差要非常小，這時(shí)候可以看到彩色條紋；假若m1或m2有略微的傾斜，就可以得到等厚的交線處（d=0）的干涉條紋為中心對(duì)稱的彩色直條紋，條紋由于半波損失為暗條紋。
邁克爾遜干涉儀的最應(yīng)用即是它在邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)中對(duì)以太風(fēng)觀測(cè)中所得到的零結(jié)果，這朵十九世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)天空中的烏云為狹義相對(duì)論的基本假設(shè)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。除此之外，由于激光干涉儀能夠非常精確地測(cè)量干涉中的光程差，在當(dāng)今的引力波探測(cè)中邁克爾遜干涉儀以及其他種類的干涉儀都得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。激光干涉引力波天文臺(tái)（ligo）等諸多地面激光干涉引力波探測(cè)器的基本原理就是通過(guò)邁克爾遜干涉儀來(lái)測(cè)量由引力波引起的激光的光程變化，而在計(jì)劃中的激光干涉空間天線（lisa）中，應(yīng)用邁克爾遜干涉儀原理的基本構(gòu)想也已經(jīng)被提出。邁克爾遜干涉儀還被應(yīng)用于尋找太陽(yáng)系外行星的探測(cè)中，雖然在這種探測(cè)中馬赫-曾特干涉儀的應(yīng)用更加廣泛。邁克爾遜干涉儀還在延遲干涉儀，即光學(xué)差分相移鍵控解調(diào)器（optical dpsk）的制造中有所應(yīng)用，這種解調(diào)器可以在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅調(diào)制。
二 瑞利干涉儀
1896年瑞利為了測(cè)量惰性氣體氬和氦的折射率，利用楊氏雙縫干涉原理設(shè)計(jì)制作了一種專用干涉儀，稱為瑞利干涉儀。
瑞利干涉儀是一種利用雙光束干涉原理的高精度測(cè)量?jī)x器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，其光學(xué)原理如圖。
樣品池及p1、p2 補(bǔ)償器的高度僅占整個(gè)空間的上半部分，補(bǔ)償器p1沿垂直軸有一個(gè)固定夾角，補(bǔ)償器p2可借助轉(zhuǎn)鼓測(cè)微器f轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變夾角，l2是會(huì)聚透鏡，l3為柱面鏡，在觀察管中看到上下兩列干涉條紋，一列由光縫的下半部分兩束光干涉形成，因?yàn)橄掳氩糠值墓獬滩畈蛔儯蚀烁缮鏃l紋是固定的；從光縫上半部分通過(guò)的兩束光，分別經(jīng)樣品池后產(chǎn)生上半部干涉條紋。當(dāng)樣品池內(nèi)不發(fā)生光程差(光程差起源于兩室中的化學(xué)成分、溫度、壓力等)，另p1 、p2 也不附加光程差時(shí)，才和下半部干涉條紋對(duì)齊，否則相對(duì)下半部干涉條紋便有移動(dòng)，這樣在干涉儀中下半部干涉條紋就是上半部干涉條紋的固定標(biāo)記。當(dāng)兩樣品池中裝有不同介質(zhì)時(shí)，其折射率分別為n1,n2由于折射率的不同，引起的光程差為： △=(n2一n1)l=kλ,式中λ為光源波長(zhǎng)，k是對(duì)應(yīng)光程差的干涉級(jí)，l為樣品池的長(zhǎng)度。
三 法布里珀涉儀
法布里－珀涉儀是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀，本質(zhì)和上節(jié)所述的平行平面板的干涉原理相同。其中兩塊玻璃板的內(nèi)表面都有相當(dāng)高的反射率，以確保得到細(xì)度足夠高的干涉條紋。由于平行平面板只對(duì)特定波長(zhǎng)的光有透射極大值，法布里－珀涉儀能夠?qū)︻l率滿足其共振條件的光進(jìn)行透射或反射，并且能達(dá)到非常高的透射率和反射率，它因此也被稱作法布里－珀羅諧振腔或法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。法布里－珀涉儀被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信、激光、光譜學(xué)等領(lǐng)域，它主要用于精確測(cè)量和控制光的頻率和波長(zhǎng)。例如，在光學(xué)波長(zhǎng)計(jì)中就使用了數(shù)臺(tái)法布里－珀涉儀的組合，它們的共振頻率彼此都相差10倍，待測(cè)入射光在這些干涉儀中發(fā)生干涉后，通過(guò)測(cè)量各自產(chǎn)生亮紋的間距即可得知待測(cè)光的波長(zhǎng)。此外，在激光領(lǐng)域法布里－珀涉儀還被用來(lái)抑制譜線的展寬，從而獲得單模激光，而在引力波探測(cè)中法布里－珀涉儀和邁克爾遜干涉儀組合使用，通過(guò)使光子在諧振腔內(nèi)反復(fù)振蕩增加了邁克爾遜干涉儀的干涉臂的有效長(zhǎng)度。
法布里－珀涉儀的三個(gè)重要特征參量是細(xì)度（自由光譜范圍和透射峰的半高寬之比）、峰值透射率（透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之比的值）、襯比因子（透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比的值和最小值之比），但由于反射比越高時(shí)細(xì)度才會(huì)越高，因此透射率和細(xì)度/襯比因子不能同時(shí)都很高。
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干涉儀分雙光束干涉儀和多光束干涉儀兩大類，前者有瑞利干涉儀、邁克爾遜干涉儀及其變型泰曼干涉儀、馬赫-秦特干涉儀等，后者有法布里-珀涉儀等。
干涉儀的應(yīng)用極為廣泛，主要有如下幾方面：
長(zhǎng)度的精密測(cè)量在雙光束干涉儀中，若介質(zhì)折射率均勻且保持恒定，則干涉條紋的移動(dòng)是由兩相干光幾何路程之差發(fā)生變化所造成，根據(jù)條紋的移動(dòng)數(shù)可進(jìn)行長(zhǎng)度的精確比較或測(cè)量。邁克爾遜干涉儀和法布里-珀涉儀曾被用來(lái)以鎘紅譜線的波長(zhǎng)表示國(guó)際米。
折射率的測(cè)定兩光束的幾何路程保持不變，介質(zhì)折射率變化也可導(dǎo)致光程差的改變，從而引起條紋移動(dòng)。瑞利干涉儀就是通過(guò)條紋移動(dòng)來(lái)對(duì)折射率進(jìn)行相對(duì)測(cè)量的典型干涉儀。應(yīng)用于風(fēng)洞的馬赫-秦特干涉儀被用來(lái)對(duì)氣流折射率的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。
波長(zhǎng)的測(cè)量任何一個(gè)以波長(zhǎng)為單位測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)米尺的方法也就是以標(biāo)準(zhǔn)米尺為單位來(lái)測(cè)量波長(zhǎng)的方法。以國(guó)際米為標(biāo)準(zhǔn)，利用干涉儀可精確測(cè)定光波波長(zhǎng)。法布里-珀涉儀（標(biāo)準(zhǔn)具）曾被用來(lái)確定波長(zhǎng)的初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（鎘紅譜線波長(zhǎng)）和幾個(gè)次級(jí)波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)，從而通過(guò)比較法確定其他光譜線的波長(zhǎng)。
檢驗(yàn)光學(xué)元件的質(zhì)量泰曼干涉儀被普遍用來(lái)檢驗(yàn)平板、棱鏡和透鏡等光學(xué)元件的質(zhì)量。在泰曼干涉儀的一個(gè)光路中放置待檢查的平板或棱鏡，平板或棱鏡的折射率或幾何尺寸的任何不均勻性必將反映到干涉圖樣上。若在光路中放置透鏡，可根據(jù)干涉圖樣了解由透鏡造成的波面畸變，從而評(píng)估透鏡的波像差。
其他應(yīng)用用作高分辨率光譜儀。法布里-珀涉儀等多光束干涉儀具有很尖銳的干涉，因而有的光譜分辨率，常用作光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)分析。
19世紀(jì)的波動(dòng)論者認(rèn)為光波或電磁波必須在彈性介質(zhì)中才得以傳播，這種假想的彈性介質(zhì)稱為以太。人們做了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證以太的存在并探求其屬性。以干涉原理為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)精確，其中名的是菲佐實(shí)驗(yàn)和邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。1851年，a.h.l.菲佐用特別設(shè)計(jì)的干涉儀做了關(guān)于運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的光速的實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)明運(yùn)動(dòng)介質(zhì)是否曳引以太。1887年，a.a.邁克爾遜和e.w.莫雷合作利用邁克爾遜干涉儀試圖檢測(cè)地球相對(duì)靜止的以太的運(yùn)動(dòng)。對(duì)以太的研究為a.愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論提供了佐證。
幾種典型的光學(xué)干涉儀
一 邁克爾遜干涉儀
邁克爾遜干涉儀,是1883年美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設(shè)計(jì)制造出來(lái)的精密光學(xué)儀器。它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉。通過(guò)調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋。主要用于長(zhǎng)度和折射率的測(cè)量，若觀察到干涉條紋移動(dòng)一條，便是m2的動(dòng)臂移動(dòng)量為λ/2，等效于m1與m2之間的空氣膜厚度改變λ/2。在近代物理和近代計(jì)量技術(shù)中，如在光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究和用光波標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)米尺等實(shí)驗(yàn)中都有著重要的應(yīng)用。
如圖所示為邁克爾遜干涉儀的光學(xué)原理圖，經(jīng)m2反射的光三次穿過(guò)分光板，而經(jīng)m1反射的光只通過(guò)分光板一次。補(bǔ)償板的設(shè)置是為了消除這種不對(duì)稱。在使用單色光源時(shí)，可以利用空氣光程來(lái)補(bǔ)償，不一定要補(bǔ)償板；但在復(fù)色光源時(shí)，由于玻璃和空氣的色散不同，補(bǔ)償板則是*的。
如果要觀察白光的干涉條紋，基本上*對(duì)稱，也就是兩相干光的光程差要非常小，這時(shí)候可以看到彩色條紋；假若m1或m2有略微的傾斜，就可以得到等厚的交線處（d=0）的干涉條紋為中心對(duì)稱的彩色直條紋，條紋由于半波損失為暗條紋。
邁克爾遜干涉儀的最應(yīng)用即是它在邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)中對(duì)以太風(fēng)觀測(cè)中所得到的零結(jié)果，這朵十九世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)天空中的烏云為狹義相對(duì)論的基本假設(shè)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。除此之外，由于激光干涉儀能夠非常精確地測(cè)量干涉中的光程差，在當(dāng)今的引力波探測(cè)中邁克爾遜干涉儀以及其他種類的干涉儀都得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。激光干涉引力波天文臺(tái)（ligo）等諸多地面激光干涉引力波探測(cè)器的基本原理就是通過(guò)邁克爾遜干涉儀來(lái)測(cè)量由引力波引起的激光的光程變化，而在計(jì)劃中的激光干涉空間天線（lisa）中，應(yīng)用邁克爾遜干涉儀原理的基本構(gòu)想也已經(jīng)被提出。邁克爾遜干涉儀還被應(yīng)用于尋找太陽(yáng)系外行星的探測(cè)中，雖然在這種探測(cè)中馬赫-曾特干涉儀的應(yīng)用更加廣泛。邁克爾遜干涉儀還在延遲干涉儀，即光學(xué)差分相移鍵控解調(diào)器（optical dpsk）的制造中有所應(yīng)用，這種解調(diào)器可以在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅調(diào)制。
二 瑞利干涉儀
1896年瑞利為了測(cè)量惰性氣體氬和氦的折射率，利用楊氏雙縫干涉原理設(shè)計(jì)制作了一種專用干涉儀，稱為瑞利干涉儀。
瑞利干涉儀是一種利用雙光束干涉原理的高精度測(cè)量?jī)x器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，其光學(xué)原理如圖。
樣品池及p1、p2 補(bǔ)償器的高度僅占整個(gè)空間的上半部分，補(bǔ)償器p1沿垂直軸有一個(gè)固定夾角，補(bǔ)償器p2可借助轉(zhuǎn)鼓測(cè)微器f轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變夾角，l2是會(huì)聚透鏡，l3為柱面鏡，在觀察管中看到上下兩列干涉條紋，一列由光縫的下半部分兩束光干涉形成，因?yàn)橄掳氩糠值墓獬滩畈蛔儯蚀烁缮鏃l紋是固定的；從光縫上半部分通過(guò)的兩束光，分別經(jīng)樣品池后產(chǎn)生上半部干涉條紋。當(dāng)樣品池內(nèi)不發(fā)生光程差(光程差起源于兩室中的化學(xué)成分、溫度、壓力等)，另p1 、p2 也不附加光程差時(shí)，才和下半部干涉條紋對(duì)齊，否則相對(duì)下半部干涉條紋便有移動(dòng)，這樣在干涉儀中下半部干涉條紋就是上半部干涉條紋的固定標(biāo)記。當(dāng)兩樣品池中裝有不同介質(zhì)時(shí)，其折射率分別為n1,n2由于折射率的不同，引起的光程差為： △=(n2一n1)l=kλ,式中λ為光源波長(zhǎng)，k是對(duì)應(yīng)光程差的干涉級(jí)，l為樣品池的長(zhǎng)度。
三 法布里珀涉儀
法布里－珀涉儀是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀，本質(zhì)和上節(jié)所述的平行平面板的干涉原理相同。其中兩塊玻璃板的內(nèi)表面都有相當(dāng)高的反射率，以確保得到細(xì)度足夠高的干涉條紋。由于平行平面板只對(duì)特定波長(zhǎng)的光有透射極大值，法布里－珀涉儀能夠?qū)︻l率滿足其共振條件的光進(jìn)行透射或反射，并且能達(dá)到非常高的透射率和反射率，它因此也被稱作法布里－珀羅諧振腔或法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。法布里－珀涉儀被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信、激光、光譜學(xué)等領(lǐng)域，它主要用于精確測(cè)量和控制光的頻率和波長(zhǎng)。例如，在光學(xué)波長(zhǎng)計(jì)中就使用了數(shù)臺(tái)法布里－珀涉儀的組合，它們的共振頻率彼此都相差10倍，待測(cè)入射光在這些干涉儀中發(fā)生干涉后，通過(guò)測(cè)量各自產(chǎn)生亮紋的間距即可得知待測(cè)光的波長(zhǎng)。此外，在激光領(lǐng)域法布里－珀涉儀還被用來(lái)抑制譜線的展寬，從而獲得單模激光，而在引力波探測(cè)中法布里－珀涉儀和邁克爾遜干涉儀組合使用，通過(guò)使光子在諧振腔內(nèi)反復(fù)振蕩增加了邁克爾遜干涉儀的干涉臂的有效長(zhǎng)度。
法布里－珀涉儀的三個(gè)重要特征參量是細(xì)度（自由光譜范圍和透射峰的半高寬之比）、峰值透射率（透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之比的值）、襯比因子（透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比的值和最小值之比），但由于反射比越高時(shí)細(xì)度才會(huì)越高，因此透射率和細(xì)度/襯比因子不能同時(shí)都很高。
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