光学干涉仪原理解析及前景展望

2018•08行他动忠

当代化工研究Chenmical I ntermediate丄^

光学干涉仪原理解析及前景展望

*张小阳

(徐州市第一中学江苏221000)

摘要：对波动光学及干涉仪的发展进行了介绍，对常见的三种干涉仪进行了介绍与分析，从理论上说明并解释了干涉仪背后的物理原理 及物理意义•通过对不同物理表面属性及缺陷和渐变折射率的干涉模拟，进行更为直观地说明，展现了光学干涉仪在实际中的应用。

关键词：干涉仪；模拟；波动光学

中图分类吾：T文献标识码：A

Principle Analysis and Prospect Outlook of Optical Interferometer

Zhang Xiaoyang

(The N o.l Middle School in Xuzhou City,Jiangsu,221000)

Abstract: This p aper i ntroduces the d evelopment o fwave optics and i nterferometers, introduces and a nalyzes three common interferometers, and theoretically illustrates and explains the physical principles and significance behind the interferometers. Through the interference simulation o f different p hysical surface p roperties, defects and g raded refractive index, it made a more intuitive explanation, which shows the application o f o ptical interferometer in p ractice.

Key words-, interferometer-, simulation-, wave optics

1■引言

1704年，牛顿的《光学》一书问世，在本书中牛顿认为，光是沿直线高速传播的粒子流。而此种观点恰好同同期 的物理学家惠更斯的猜想所不同。1690年，惠更斯的《论光》一书正式出版，本书中惠更斯认为光是一种波，并提出 了光波动原理，即惠更斯原理。此原理可以阐述为：任何时刻一个点波源的球面波面上的一点都可以作为新的波源，而 这些次波源产生的新波前的包络面就是该时刻点波源的波 前。但遗憾的是惠更斯仅仅认为光是一种纵波，并且提出的 惠更斯原理中没有涉及到波长、振幅与相位。因其无法解释光的偏振与衍射现象而牛顿又享誉盛名，惠更斯的光波动说于当时不被大众所认同。

直至19世纪初，英国物理学家托马斯•杨在1801年首 次完成了著名的杨氏双缝干涉实验。杨在实验中用一束平行 光照射开有小孔的光阑，并在其后再放置另一开有两狭缝的 光阑，最终使其成像于双缝后的光屏上。根据惠更斯原理，经过小孔与双缝的光都可被看做点光源，并且经由双缝的两 束光为可干涉的相干光。最终光屏上出现明暗相间的干涉条 纹。1807年，杨发表了《自然科学与机械学讲义》，在其 中，杨充分地描述了他在光学方面的理论以及实验成果，包 括了双缝干涉实验。

在光的波动学说经历了一段受打压的时期之后，随着 杨氏双缝实验发现光的干涉现象，菲涅耳对惠更斯原理进行 了补充并最终得出—惠更斯菲涅耳原理，光的波动学说开始进入发展的黄金时期。杨氏双缝干涉实验开始被应用于实 际，并随着发展出现了多种光学干涉仪。其中，以迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪以及马赫-曾德干涉仪三者最为出名，应用也最为广泛。

至今，激光干涉仪依旧被广泛地应用于长度测量、光学 元件的检验、光波长的测量以及介质折射率的测定等领域，并随着研究的深入正不断地革新与发展。因此，干涉仪是目 前光学上一种重要的仪器，了解并探索干涉仪的原理具有十分重要的意义。本文将会对常见的几种干涉仪进行原理上的 介绍和数学上的分析，并使用Matlab模拟不同表面情况下的 干涉条纹，以求更直观地展现干涉仪的应用价值。

2.基本干涉仪的介绍

迈克尔逊干涉仪于1883年由美国物理学家迈克尔逊与莫 雷合作制成，最初应用于迈克尔逊-莫雷试验中对以太风进行观测，并最终证明了以太的不存在。在而后的发展中，迈克尔逊干涉仪的运用愈加广泛，小到对长度精度的测量，大 到对引力波的探索都有所贡献，而日后的各式干涉仪也多是 以迈克尔逊干涉仪为基础进行改进或是进行原理上的借鉴，包括双光束形成干涉光以及补偿板的应用。

1897年，夏尔•法布里与阿尔弗雷德•珀罗在先前干涉 仪的发展中做出了创新，由迈克尔逊干涉仪的双光束干涉改 为了多光束干涉，设计出法布里•珀罗干涉仪。其利用两块 涂有高反射涂层具有很小楔角的平板玻璃，让入射光在两块 玻璃中多次反射形成的一系列出射光，进行多光束干涉。而 这种设计也使得当入射光的频率满足其共振条件时，光谱分 辨率会十分清晰，使测量更为精准。

马赫-曾德干涉仪与迈克尔逊干涉仪一样，都是利用了 分振幅法产生双光束进行干涉，但与迈克尔逊干涉仪不同的 是，马赫_曾德干涉仪克服了迈克尔逊干涉仪回波干扰这一缺点，使得马赫-曾德干涉仪在对太阳系外行星的探测等科 研方面比迈克尔逊干涉仪有更为广泛的应用。

由于可见光的波长较短，因此引入微小的光程差，便会 使两束相干光的相位产生较大的差值，造成两束光的叠加光 产生明显的亮度变化。干涉仪能够将一个面上的所有点的光 强分布情况呈现出来，形成一幅干涉条纹图。因其单点检测精度达到纳米级别，并每次可以检测一个面的表面情况，干 涉仪成为了高精度表面检测的首选。同时，由于折射率的变 化或者使用不同波长的相干光也会影响干涉条纹，因此，干 涉仪也可以被用来进行折射率或波长的精确测定。

然而，在进行高精度测量的同时，空气的扰动或是地面