物理光学24典型干涉仪

马赫-泽德干涉仪的结构如图。G1、 G2是两块分别具有半反射面A1、A2的 平行平面玻璃板，M1、M2是两块平面
镜平移的距离关系为：
e m / 2
2.迈克耳逊干涉仪的应用
1 激光比长仪
h m
2
图 2-34 激光比长仪示意简图
2.
P是光纤定向耦合器
D定向耦合器耦合到光电探测器 信号臂光纤
参考臂光纤
图 2-35 光纤迈克尔逊测长干涉仪原理图
2.5.2 马赫-泽德干涉仪
1. 马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪工作原理：
平移的距离关系为：d N / 2
等
厚
干
涉 条
M1
M2'
纹
M2'
M1
M
当M1，M2’ 间距离每减少
M1 2
λ/2时，中央条纹对应的k
1
值就要减少1，原来位于
光源
S
G1
G2
1‘
2‘
中央的条纹消失，将看到
2 同心等倾圆条纹向中心缩
陷。
M2
k
明条纹
2ne =
(2k 1) 2
暗条纹
k0
2e
级次最大
k自内向外依次递减
G1和G2与M1和M2都成45度角。
• 若M1、M’2平行 等倾条纹
• 若M1、M’2有小夹角 等厚条纹
每当M1移动/2 ,光线1、2的光程差就改变一个 ，视场中就会看见一条条纹移过。如果看见N条条 纹移过，则反射镜M1移动的距离是
dN 2
M
' 2
//
M1
当 e 较大时，观察到等倾圆条纹较细密，整个视
2.4 典型干涉仪及其应用
➢迈克尔逊干涉仪 ➢马赫-泽德干涉仪 ➢ 法布里-珀罗干涉仪
2.5.1 迈克尔逊干涉仪
迈克耳逊干涉仪是１８８1年美国物理学家迈克耳逊和 莫雷合作，为研究“以太”漂移实验而设计制造出来的 精密光学仪器。
实验结果否定了以太的存在，解决了当时关于“以太” 的争论，并为爱因斯坦发现相对论提供了实验依据。
但“以太”的引入，也使物理学家们碰上了新的困难。光波 是一种横波，而只有固体介质才能传播横波，如果说光波由 “以太”传播，那么“以太”就必然是固态的，而且它必须 渗入万物之中，密度比气体稀薄，弹性比金属还大，驯服到 不影响人的眼睛的眨动。
同时具有这么多神奇特性的“以太”的存在，谁也觉得是不 可能的。神奇的“以太”困扰着１９世纪的物理学家，成了 物理学界最大的难题，就在这时，美国物理学家迈克尔逊首 资助成功地做了证实以太存在与否的“以太漂移”实验。
马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪是一种大型光学仪 器，它广泛应用于研究空气动力学中气体的折射率变化、可 控热核反应中等离子体区的密度分布，并且在测量光学零 件、制备光信息处理中的空间滤波器等许多方面，有着极其 重要的应用。特别是，它已在光纤传感技术中被广泛采用。
马赫-泽德干涉仪也是一种分振幅干涉仪，与迈克尔逊 干涉仪相比，在光通量的利用率上，大约要高出一倍。这是 因为在迈克尔逊干涉仪中，有一半光通量将返回到光源方 向，而马赫-泽德干涉仪却没有这种返回光源的光。
他的“以太漂移”实验共做了两次。第一次是在１８８１ 年。他想，按照菲涅耳的观点，如果认为以太是静止的湖面 上航行一样。这样，在地球上就似乎应该测出地球相对于以 太的漂移速度，他自己设计制造了有名的干涉仪，用干涉方 法进行测量，却获得了令他目瞪口呆、与预想恰恰相反的结 果：不管光线向哪个方向传播，光的速度总是每秒３０万公 里。这说明“以太”不存在，光速不变。
G2
2
M2 1‘
2‘
M1和M2是两块镀银或镀铝的平面反射镜,其中M2 固定在仪器基座上,M1可借助于精密丝杆螺母沿导
轨作微小移动。
光源
S
M
M1 2
1
G1
G2
2
M2 1‘
2‘
G1和G2为两块相同的 平行平板，由同一块平 行平板玻璃切制而成， 有相同的厚度和折射率。 G1的分光面涂以半透 半反膜，起分光作用。 G2不镀膜，起补偿作用。
目前根据迈克耳逊的基本原理研制的各种精 密仪器广泛用于生产和科研领域。
“以太”一词源于希腊，愿意是“空气的上层”，是亚里士多 德创造的名词。他认为天体间一定充满某种介质。
笛卡儿于１６６４年首次把它引入物理学，以为它是一种无 重的、有一定机械性质的物质。
到了１９世纪末叶，麦克斯韦的电磁理论和赫兹实验由于借 助于“以太”，从而提高了“以太”的理论地位。
以后，迈克耳逊又用它作了两个重要实验，首次系统 地研究了光谱线的精细结构，以及直接将光谱线的波长 与标准米尺进行比较，实现了长度单位的标准化。
今天,迈克耳逊干涉仪已被更完善的现代干涉 仪取代 , 例如米尺的标定及干涉分光工作已改用 法布里－珀罗干涉仪。但迈克耳逊干涉仪的基 本结构仍然是许多干涉仪的基础。
迈克尔逊没有立即相信自己的实验结果，他怕仪器不精， 测不出极其微弱的光程差来，于是他着手改进仪器。１８８７ 年，他用改进过的能够准确测出植物一秒钟生长量的仪器，和 美国化学家莫雷一起进行了又一次特别精巧的实验。他们把仪 器安置于浮在水银面上的一块石板上，使仪器能够十分平滑地 随意转动。他们使光束射出方向与地球运动的方向成各种不同 的角度，结果光速仍然不变。不管他们将仪器对准哪个方向， 不管他们重复实验多少次，结果都是毫无差别。
如 果e0
e0
2
, k0
k0
1
e增大时有条纹冒出
记下平移的距离,可测量入射光的波长; 如已知波长,则可通过条纹移动数目来测量微小伸长量 (如热胀冷缩量).
当M2’ 、M1 不平行时，将看到劈尖等厚干涉条纹。 当M1每平移λ/2 时，将看到一个明（或暗）条纹移
过视场中某一固定直线，条纹移动的数目m 与M1
这次实验证明“以太”根本不存在。这是一次没有得到预 期结果的实验，但迈克尔逊却为此获得了１９０７年的诺贝尔 物理学奖。因为它是近代科技史上一次最重要、难度最大的实 验。他首次成功地对“以太”存在说提出质疑，并为爱因斯坦 建立“狭义相对论”开辟了道路。
1.迈克尔逊干涉仪的工作原理
光源
S
பைடு நூலகம்
M
M1 2
1
G1
场中条纹较多。
当e每减少λ/2 时，中央条纹对应的k值就要减少1，
原来位于中央的条纹消失，将看到同心等倾圆条
纹向中心缩陷。
等
倾
干
涉
条
M1
纹
M2'
M1
M2'
当M1，M2’不平行时，将看到平行于M1 和 M2’交 线的等间距的直线形成等厚干涉条纹。
当M1每平移 λ/2 时，将看到一个明（或暗）条纹移 过视场中某一固定直线，条纹移动的数目N与M1 镜