光学干涉仪简介

光学干涉仪简介

应用

应用

干涉仪的应用极为广泛，主要有如下几方面：

1长度的精密测量

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。

折射率的测定

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。

检验光学元件的质量

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。

其他应用

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。

历史上的作用。19世纪的波动论者认为光波或电磁波必须在弹性介质中才得以传播，这种假想的弹性介质称为以太。人们做了一系列实验来验证以太的存在并探求其属性。以干涉原理为基础的实验最为精确，其中最有名的是菲佐实验和迈克耳孙-莫雷实验。1851年，A.H.L.菲佐用特别设计的干涉仪做了关于运动介质中的光速的实验，以验明运动介质是否曳引以太。1887年，A.A.迈克耳孙和 E.W.莫雷合作利用迈克耳

孙干涉仪试图检测地球相对绝对静止的以太的运动。对以太的研究为A.爱因斯坦的狭义相对论提供了佐证。

下面着重介绍几种比较典型的光学干涉仪器

一迈克尔孙干涉仪

迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。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。

如左图所示，为迈克尔逊干涉仪的光学原理

图，经M2反射的光三次穿过分光板，而

经M1反射的光通过分光板只一次。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。

应用

迈克耳孙干涉仪的最著名应用即是它在迈克耳孙-莫雷实验中对以太风观测中所得到的零结果，这朵十九世纪末经典物理学天空中的乌云为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。除此之外，由于激光干涉仪能够非常精确地测量干涉中的光程差，在当今的引力波探测中迈克耳孙干涉仪以及其他种类的干涉仪都得到了相当广泛的应用。激光干涉引力波天文台（LIGO）等诸多地面激光干涉引力波探测器的基本原理就是通过迈克耳孙干涉仪来测量由引力波引起的激光的光程变化，而在计划中的激光干涉空间天线（LISA）中，应用迈克耳孙干涉仪原理的基本构想也已经被提出。迈克耳孙干涉仪还被应用于寻找太阳系外行星的探测中，虽然在这种探测中马赫-曾特干涉仪的应用更加广泛。迈克耳孙干涉仪还在延迟干涉仪，即光学差分相移键控解调器（Optical DPSK）的制造中有所应用，这种解调器可以在波分复用网络中将相位调制转换成振幅调制。

二瑞利干涉仪

1896年瑞利为了测量惰性气体氩和氦的折射率，利用杨氏双缝干涉原理设计制作了一种专用干涉仪，称为瑞利干涉

仪。

利用双光束干涉原理的高精度测量仪器，结构简单，使用方便，其光学原理如图。

l样品池及p1、p2 补偿器的高度仅占整个空间的上半部分，补偿器p1沿垂直轴有一个固定夹角，补偿器p2可借助转鼓测微器F转动来改变夹角，L2是会聚透镜，L3为柱面镜，在观察管中看到上下两列干涉条纹，一列由光缝的下半部分两束光干涉形成，因为下半部分的光程差不变，故此干涉条纹是固定的；从光缝上半部分通过的两束光，分别经样品池后产生上半部干涉条纹。当样品池内不发生光程差(光程差起源于两室中的化学成分、温度、压力等)，另p1 、p2 也不附加光程差时，才和下半部干涉条纹对齐，否则相对下半部干涉条纹便有移动，这样在干涉仪中下半部干涉条纹就是上半部干涉条纹的固定标记。当两样品池中装有不同介质时，其折射率分别为n1,n2由于折射率的不同，引起的光程差为：△=(n2一n1)l=Kλ,式中λ为光源波长，K是对应光程差的干涉级，l为样品池的长度。

三法布里珀罗干涉仪

法布里－珀罗干涉仪

主条目：法布里－珀罗干涉仪

法布里－珀罗干涉仪的完整设置

法布里－珀罗干涉仪是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，本质和上节所述的平行平面板的干涉原理相同[18]。其中两块玻璃板的内表面都有相当高的反射率，以确保

得到细度足够高的干涉条纹。由于平行

平面板只对特定波长的光有透

射极大值，法布里－珀罗干

涉仪能够对频率满足其共

振条件的光进行透射或反

射，并且能达到非常高的透

射率和反射率，它因此也被称作法布里－珀罗

谐振腔或法布里－珀罗标准具。法布里－珀罗干涉仪被广泛应用于远程通信、激光、光谱学等领域，它主要用于精确测量和控制光的频率和波长。例如，在光学波长计中就使用了数台法布里－珀罗干涉仪的组合，它们的共振频率彼此都相差10倍，待测入射光在这些干涉仪中发生干涉后，通过测量各自产生亮纹的间距即可得知待测光的波长。此外，在激光领域法布里－珀罗干涉仪还被用来抑制谱线的展宽，从而获得

单模激光，而在引力波探测中法布里－珀罗干涉仪和迈

克耳孙干涉仪组合使用，通过使光子在谐振腔内反复振

荡增加了迈克耳孙干涉仪的干涉臂的有效长度。

如要观察到法布里－珀罗干涉仪的等倾干涉条纹，要在

透射光的传播方向上垂直放置一透镜，当透镜光轴垂直

于屏时，等倾干涉的条纹是一组同心圆，圆心对应着正

入射透射光的焦点。此时由于是正入射，，在

干涉条件中有最大值：