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    ? ? ? 干涉儀是利用光學干涉原理測量光程之差從而測定有關物理量的精密光學儀器。一般來說, 只要是利用光干涉的原理來量測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非常靈敏地導致干涉條紋的移動,而某一束相干光的光程變化是由它所通過的幾何路程或介質折射率的變化引起,所以通過干涉條紋的移動變化可測量幾何長度或折射率的微小改變量,從而測得與此有關的其他物理量。測量精度決定于測量光程差的精度,干涉條紋每移動一個條紋間距,光程差就改變一個波長,所以干涉儀是以光波波長為單位測量光程差的,其測量精度之高是任何其他測量方法所無法比擬的。

    ? ? ? 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-珀羅干涉儀等。

    干涉儀的應用極為廣泛,主要有如下幾方面:

    • 長度的精密測量

    在雙光束干涉儀中,若介質折射率均勻且保持恒定,則干涉條紋的移動是由兩相干光幾何路程之差發生變化所造成,根據條紋的移動數可進行長度的精確比較或絕對測量。邁克爾遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀曾被用來以鎘紅譜線的波長表示國際米。

    • 折射率的測定

    兩光束的幾何路程保持不變,介質折射率變化也可導致光程差的改變,從而引起條紋移動。瑞利干涉儀就是通過條紋移動來對折射率進行相對測量的典型干涉儀。應用于風洞的馬赫-秦特干涉儀被用來對氣流折射率的變化進行實時觀察。

    • 波長的測量

    任何一個以波長為單位測量標準米尺的方法也就是以標準米尺為單位來測量波長的方法。以國際米為標準,利用干涉儀可精確測定光波波長。法布里-珀羅干涉儀(標準具)曾被用來確定波長的初級標準(鎘紅譜線波長)和幾個次級波長標準,從而通過比較法確定其他光譜線的波長。

    • 檢驗光學元件的質量

    泰曼干涉儀被普遍用來檢驗平板、棱鏡和透鏡等光學元件的質量。在泰曼干涉儀的一個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,可根據干涉圖樣了解由透鏡造成的波面畸變,從而評估透鏡的波像差。

    • 其他應用

    用作高分辨率光譜儀。法布里-珀羅干涉儀等多光束干涉儀具有很尖銳的干涉,因而有極高的光譜分辨率,常用作光譜的精細結構和超精細結構分析。

    ? ? ?19世紀的波動論者認為光波或電磁波必須在彈性介質中才得以傳播,這種假想的彈性介質稱為以太。人們做了一系列實驗來驗證以太的存在并探求其屬性。以干涉原理為基礎的實驗最為精確,其中最有名的是菲佐實驗和邁克爾遜-莫雷實驗。1851年,A.H.L.菲佐用特別設計的干涉儀做了關于運動介質中的光速的實驗,以驗明運動介質是否曳引以太。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地球相對絕對靜止的以太的運動。對以太的研究為A.愛因斯坦的狹義相對論提供了佐證。

    幾種典型的光學干涉儀

    一 邁克爾遜干涉儀

    邁克爾遜干涉儀,1883年美國物理學家邁克爾遜和莫雷合作,為研究以太漂移而設計制造出來的精密光學儀器。它是利用分振幅法產生雙光束以實現干涉。通過調整該干涉儀,可以產生等厚干涉條紋,也可以產生等傾干涉條紋。主要用于長度和折射率的測量,若觀察到干涉條紋移動一條,便是M2的動臂移動量為λ/2,等效于M1M2之間的空氣膜厚度改變λ/2。在近代物理和近代計量技術中,如在光譜線精細結構的研究和用光波標定標準米尺等實驗中都有著重要的應用。

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    如圖所示為邁克爾遜干涉儀的光學原理圖,經M2反射的光三次穿過分光板,而經M1反射的光只通過分光板一次。補償板的設置是為了消除這種不對稱。在使用單色光源時,可以利用空氣光程來補償,不一定要補償板;但在復色光源時,由于玻璃和空氣的色散不同,補償板則是不可或缺的。

    如果要觀察白光的干涉條紋,基本上完全對稱,也就是兩相干光的光程差要非常小,這時候可以看到彩色條紋;假若M1M2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稱的彩色直條紋,中央條紋由于半波損失為暗條紋。

      邁克爾遜干涉儀的最著名應用即是它在邁克爾遜-莫雷實驗中對以太風觀測中所得到的零結果,這朵十九世紀末經典物理學天空中的烏云為狹義相對論的基本假設提供了實驗依據。除此之外,由于激光干涉儀能夠非常精確地測量干涉中的光程差,在當今的引力波探測中邁克爾遜干涉儀以及其他種類的干涉儀都得到了相當廣泛的應用。激光干涉引力波天文臺(LIGO)等諸多地面激光干涉引力波探測器的基本原理就是通過邁克爾遜干涉儀來測量由引力波引起的激光的光程變化,而在計劃中的激光干涉空間天線(LISA)中,應用邁克爾遜干涉儀原理的基本構想也已經被提出。邁克爾遜干涉儀還被應用于尋找太陽系外行星的探測中,雖然在這種探測中馬赫-曾特干涉儀的應用更加廣泛。邁克爾遜干涉儀還在延遲干涉儀,即光學差分相移鍵控解調器(Optical DPSK)的制造中有所應用,這種解調器可以在波分復用網絡中將相位調制轉換成振幅調制。

    二 瑞利干涉儀

    1896年瑞利為了測量惰性氣體氬和氦的折射率,利用楊氏雙縫干涉原理設計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量儀器,結構簡單,使用方便,其光學原理如圖。

    樣品池及p1p2 補償器的高度僅占整個空間的上半部分,補償器p1沿垂直軸有一個固定夾角,補償器p2可借助轉鼓測微器F轉動來改變夾角,L2是會聚透鏡,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,因為下半部分的光程差不變,故此干涉條紋是固定的;從光縫上半部分通過的兩束光,分別經樣品池后產生上半部干涉條紋。當樣品池內不發生光程差(光程差起源于兩室中的化學成分、溫度、壓力等),另p1 p2 也不附加光程差時,才和下半部干涉條紋對齊,否則相對下半部干涉條紋便有移動,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記。當兩樣品池中裝有不同介質時,其折射率分別為n1,n2由于折射率的不同,引起的光程差為: △=(n2n1)l=Kλ,式中λ為光源波長,K是對應光程差的干涉級,l為樣品池的長度。

    三 法布里珀羅干涉儀

    ?法布里-珀羅干涉儀是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀,本質和上節所述的平行平面板的干涉原理相同。其中兩塊玻璃板的內表面都有相當高的反射率,以確保得到細度足夠高的干涉條紋。由于平行平面板只對特定波長的光有透射極大值,法布里-珀羅干涉儀能夠對頻率滿足其共振條件的光進行透射或反射,并且能達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-珀羅標準具。法布里-珀羅干涉儀被廣泛應用于遠程通信、激光、光譜學等領域,它主要用于精確測量和控制光的頻率和波長。例如,在光學波長計中就使用了數臺法布里-珀羅干涉儀的組合,它們的共振頻率彼此都相差10倍,待測入射光在這些干涉儀中發生干涉后,通過測量各自產生亮紋的間距即可得知待測光的波長。此外,在激光領域法布里-珀羅干涉儀還被用來抑制譜線的展寬,從而獲得單模激光,而在引力波探測中法布里-珀羅干涉儀和邁克爾遜干涉儀組合使用,通過使光子在諧振腔內反復振蕩增加了邁克爾遜干涉儀的干涉臂的有效長度。

    法布里-珀羅干涉儀的三個重要特征參量是細度(自由光譜范圍和透射峰的半高寬之比)、峰值透射率(透射光強和入射光強之比的最大值)、襯比因子(透射光強與入射光強之比的最大值和最小值之比),但由于反射比越高時細度才會越高,因此透射率和細度/襯比因子不能同時都很高。

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