迈克尔逊干涉仪思考题222

迈克尔逊干涉仪思考题

还有哪几种干涉仪？

1、斐索干涉仪

斐索干涉仪原理为等厚干涉，用以检测光学元件的面形、光学镜头的波面像差以及光学材料均匀性等的一种精密仪器。其测量精度一般为/10～/100,为检测用光源的平均波长。常用的波面干涉仪为泰曼干涉仪和斐索干涉仪。

斐索干涉仪有平面的和球面的两种，前者由分束器、准直物镜和标准平面所组成，后者由分束器、有限共轭距物镜和标准球面所组成。单色光束在标准平面或标准球面上，部分反射为参考光束；部分透射并通过被测件的，为检测光束。检测光束自准返回，与参考光束重合，形成等厚干涉条纹。用斐索平面干涉仪可以检测平板或棱镜的表面面形及其均匀性。用斐索球面干涉仪可以检测球面面形和其曲率半径，后者的测量精度约1微米；也可以检测无限、有限共轭距镜头的波面像差。

斐索光纤干涉仪如图所示。光源发出的激光束经偏振片P1、3dB分路器及传输光纤耦合进自聚焦透镜GL，由GL出射的光束照到被测物体的表面，自聚焦透镜GL的入射端面M1于被测物体的表面M2构成斐索干涉腔，M1和M2的反射光束相干，相干光经3dB分路器分束通过偏振片P2后由光电探测器接收。偏振片P1与P2正交放置，以消除自聚焦透镜GL 入射端面回射光的干扰。外界信号（被测量）通过改变斐索腔二反射面M1和M2之间的间距对光纤中的光相位进行调制。

2、激光干涉仪

激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量。

激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。

单频激光干涉仪

从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按公式中λ为激光波长(N为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。

双频激光干涉仪

在氦氖激光器上，加上一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引

效应, 激光器产生1和2两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。经1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光,再经分光镜分为两路。一路经偏振片1后成为含有频率为f1-f2的参考光束。另一路经偏振分光镜后又分为两路：一路成为仅含有f1的光束,另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时,含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2 ±Δf的光束，Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率,正负号表示移动方向(多普勒效应是奥地利人C.J.多普勒提出的，即波的频率在波源或接受器运动时会产生变化)。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片2后会合成为f1-(f2±Δf）的测量光束。测量光束和上述参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进入减法器相减,输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算（乘1/2激光波长）后即可得出可动反射镜的位移量。双频激光干涉仪是应用频率变化来测量位移的，这种位移信息载于f1和f2的频差上，对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强。它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度，也可用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。利用相应附件，还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。

3、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。

瑞利干涉仪是一种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=K λ,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。

4、法布里－珀罗干涉仪

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。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：

法布里－珀罗标准具的干涉条纹，光源为镉灯，使用CCD成像一般情况下不是整数，如将其整数部分设为，小数部分设为，即，则从中心亮纹数起，外圈

第个亮纹的角半径为

从而圆条纹的直径满足

其中是透镜焦距。

法布里－珀罗干涉仪的三个重要特征参量是细度（自由光谱范围和透射峰的半高宽之比）、峰值透射率（透射光强和入射光强之比的最大值）、衬比因子（透射光强与入射光强之

比的最大值和最小值之比），但由于反射比越高时细度才会越高，因此透射率和细度/衬比因子不能同时都很高。

5、泰曼-格林干涉仪

泰曼-格林干涉仪应用领域：

普遍用来检验平板，棱镜和透镜等光学元件的质量。

更为精密的用途为：

（1）检测室内微小振动和空气流动

（2）监测系统内温度变化

（3）检测直角棱镜的综合质量

泰曼-格林干涉仪的实际布置案列：

He-Ne 激光器（λ=630nm）发出一束激光，经空间滤波器、透镜L1 和分束镜分成两束平面波，一束经参考镜M1 反射后再经反射镜入射至CCD 传感器；另外一束经透镜L2 之后出射至待检镜，之后原路返回，再经反射镜入射至CCD 传感器。图像采集与处理后可在监视器上观察到干涉条纹，而后确定图像采集有效区域，并对此区域内的干涉条纹进行数学处理，运用相应算子卷积运算对干涉条纹进行边缘增强和图像锐化等处理，最后得到待检光学系统的波面信息和各项像差系数。

6、射电干涉仪

天文学家利用波干涉原理，作出射电干涉仪。通常是将两面同样大小的天线拉开距离排列着，中间用电缆连系。射电干涉技术使人们能更有效地从噪音中提取有用的信号；甚长基线干涉仪通常是相距上千公里的几台射电望远镜作干涉仪方式的观测，极大地提高了分辨率，使射电波段的分辨率首次高于光学，今天射电的分辨率高于其它波段几千倍，能更清晰地揭示射电天体的内核；综合孔径技术的研制成功使射电望远镜具备了方便的成像能力，综合孔径射电望远镜相当于工作在射电波段的照相机。

双天线射电干涉仪是最简单的也是最基本的一种干涉仪。现今所有各种高分辨率的非连续孔径望远镜都是以它为基础发展起来的。双天线射电干涉仪的基本原理是：一组取向一致的两个天线安置在某一方向(例如东西方向)的基线上，接收“点源”（角径远远小于单个天线的分辨率的源）的单频信号。天线用性能相同、长度相等的传输线把各自收到的信号送到接收机输入端,两个信号互相迭加。当一个天体射来的电磁波与基线的垂线成θ角时,射电波到达两天线相差一段路程BC。若程差BC正好是半波长的偶数倍，这两个信号同相，信号相加；若为奇数倍则反相，信号相互抵消。因此,当θ因天体的周日运动而不断改变时，接收机的输出呈现强弱相间的周期性变化,形成干涉图形。图3表示双天线干涉仪的方向图形。图中各方向瓣的包络就是单天线方向图。可以用中心瓣的宽度来表示一具双天线干涉仪所具有的分辨率。这和连续孔径情况一样，也近似有δθ≈λ/D 的形式，然而这里的D是两台天线之间的间距。由于D可以很大,因此干涉仪可以得到比连续孔径望远镜窄得多的方向瓣。对于特定的孤立射电源，方向瓣的宽度就决定了观测所能达到的分辨率。如果在单天线方向图的范围内不止有一个源，或源的角径大于相邻两个方向瓣的角距，则所得的信息将混淆不清。

7、剪切干涉仪

剪切干涉仪，把通过被测件的波面用适当的光学系统分裂成两个，并使两波面彼此相互错开（剪切），在两波面重叠部分产生干涉图形的仪器。

把通过被测件的波面用适当的光学系统分裂成两个，并使两波面彼此相互错开（剪切），在两波面重叠部分产生干涉图形的仪器。

以常见的横向剪切干涉仪为例。如图所示,激光束被聚光镜1会聚到空间滤波器2上,滤波器置于被测物镜3的焦点上,从物镜出射的波面通过一稍有楔角的平板4前后表面的反射，形成两个彼此横向错开的波面，在两波面重叠处形成干涉图形，通过判读条纹可评价被测物镜的传递函数。

除横向剪切干涉仪外，如使两波面沿径向剪切即两波面尺寸不同形成干涉的称径向剪切干涉仪；如使两波面绕中心小量旋转而相互错开形成干涉的称旋转剪切干涉仪；如使两波面

反向错开形成干涉的称反向剪切干涉仪。

剪切干涉仪的优点是可省去标准的参考光学表面，结构简单稳定。其弱点是剪切后形成的干涉图形判读比较困难。剪切干涉仪主要用作测定光学零件的面型、光学系统的像差和光学传递函数、流场的均匀性等。对激光束的波面测量而言，剪切干涉仪是唯一可用的干涉形式。

8、雅满干涉仪

这种干涉仪是J.雅满于1856年发明的。雅满用他的干涉仪研究了水的折射率随压力的变化关系，并用它来测定水蒸气的折射率。后人多用它来测量气体的折射率。

雅满干涉仪基本上由两块折射率和厚度都完全相同的平行平面玻璃板组成，每一块板都有一个镀银面，其结构如图所示。

自扩展光源发出的一束光,以45°入射角入射在第一块板M1的前表面上，在这里它被分为两部分，一部分在M1板的前表面和在第二块板M2的后表面上反射；另一部分在M1板的前表面上折射后，再依次在M1板的后表面和M2板的前表面上反射。因为两束光是相干的，它们在离开M2板的前表面后，会于望远镜的焦平面上形成干涉条纹。

玻璃板M1和M2的厚度一般为2～5厘米，经过它们的两束光可分得比较开。这样就可在它们之间放置所需的气体室G1和G2。而气体室两端窗口又有光阑的作用，只能使在玻璃板上一次内反射的光产生干涉，因此条纹中的光强分布呈严格的余弦二次方形式。亮条纹和暗条纹等宽。

使用时，以其表面与图面（见图）的交线为轴将M2板转动一很小的角度，这时就会产生平行于图面的干涉条纹，当使用白光光源时在这种位置上还可观察到白光干涉条纹。

将两气体室中的一个逐渐抽空，干涉条纹会在视场中移动。设气体室的长度为l，折射率的改变为δn，则

式中k是视场中移过叉丝的干涉条纹的数目，λ是光波波长。用这种方法就可测量出折射率的变化或气体的折射率，而且精度较高。

9、马赫－秦特干涉仪

马赫－秦特干涉仪是雅满干涉仪的发展。在雅满干涉仪中，两块玻璃板的前表面起着分光板的作用，而后表面则为平面反射镜，分光板和反射镜不能单独进行调节，而且两束光的间隔为玻璃板厚度所限定。为克服这些局限性，L.马赫和L.秦特使用了四块玻璃板。

雅满干涉仪的发展。在雅满干涉仪中，两块玻璃板的前表面起着分光板的作用，而后表面则为平面反射镜，分光板和反射镜不能单独进行调节，而且两束光的间隔为玻璃板厚度所限定。为克服这些局限性，L.马赫和L.秦特使用了四块玻璃板。

马赫－秦特干涉仪的结构如图所示。P1、P2是两块分别具有半反射面A1和A2的平行平面板,M1、M2是两块平面反射镜,一般是使四个反射面接近平行，并使它们的中心在一平行四边形的四个顶点上。

单色点光源S位于准直镜L1的焦平面上，从S发出的光经L1准直后，在半反射面A1上分为两束光, 一束光经M1和A2反射而达投射物镜L2, 另一束光则经M2反射并透过A2后也达L2。由于两束光是相干的, 在L2的焦平面上会产生干涉。将干涉仪的一块分光板稍作倾斜，在视场内会出现为数不多的几条平行等距直条纹。

这种干涉仪，由于其两束光可分得很开，特别适用于空气动力学中关于气流折射率或密度分布变化的研究。在作这种研究时,于T1处放一个风洞,而在T2处放一个参考室（装有不流动的同样气体），后者用以补偿前者的光程。观察气流变化前后的干涉图样的差别，就可求得气流折射率或密度空间分布的变化。

实际上，由于气流密度变化非常迅速，必须采用短时间曝光的办法以获得气流密度分布的瞬时图像。这就要求干涉图样本身要有足够的亮度。所以以前多采用扩展光源。

目前常以激光器作这种干涉仪的光源，由于激光的单色性好，亮度高，此时不仅能获得清晰而又足够亮的干涉图样，而且使仪器的调节也变得方便。