[科普中国]-双光束干涉仪

简介

干涉仪是很广泛的一类实验技术的总称， 其思想在于利用波的叠加性来获取波的相位信息， 从而获得实验所关心的物理量。干涉仪并不仅仅局限于光干涉仪。 干涉仪在天文学， 光学， 工程测量， 海洋学， 地震学， 波谱分析， 量子物理实验， 遥感， 雷达等等精密测量领域都有广泛应用。

双光束干涉仪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。1

瑞利干涉仪一种分波面双光束干涉仪。1896年，瑞利研究制成，是杨氏双缝干涉实验装置的改型，用于测定流体的折射率。单色缝光源S位于透镜L1的前焦面，出射的平行光射到与S平行的狭缝S1和S2上，从双缝出来的光分别通过长度为l的玻璃管T1和T2，接着分别通过补偿板C1和C2，在透镜L2的后焦面上相遇，产生干涉条纹。若在T1和T2中分别装入折射率为n和n′的流体，则两束光的光程差变化为(n-n′)l。移过L2后焦面上某一位置的干涉条纹数为△m=(n-n′)l/λ，式中λ为光的波长。测出△m，由n′的值就可求出n。实际测量中，并不去数出条纹的移动数，而是让半截狭缝(沿垂直于纸面的方向)的光通过玻璃管，另外半截狭缝的光直接在L2的后焦面形成一组比较条纹。调节光程补偿板C1和C2，就可读出光程差的变化。瑞利干涉仪能检测数量级为10的折射率变化，是检验气体和液体中杂质含量的灵敏仪器。例如，在长为100厘米的空气管中，可以测知含有十万分之六的氦。2

迈克耳孙星体干涉仪一种分波面双光束干涉仪。1920年，美国物理学家迈克耳孙设计制成，用来测量星体的角宽度。其原理如图所示。S和S2为双缝，M1、M2、M3和M4为四块平面镜，来自远方星体的平行光被M1和M2反射，再被M3和M3反射，入射到双缝S1和S2上。从双缝出射的两束光，在物镜L的后焦面上产生干涉条纹。M1和M2是可移动的，整个装置相当于双缝间距可变的杨氏双缝干涉实验装置。双缝间距为M1和M2之间的距离d，干涉条纹的分布由缝S1和S2所决定，透镜L的大小也由缝S1和S2所决定。星体可看成由许多不相干的点光源所组成的扩展光源，双星可看成两个不相干的点光源，各点光源都产生各自的干涉条纹，但互相错开，总光强分布是它们的非相干叠加，这将使L的后焦面上的干涉条纹的可见度下降。条纹的可见度第一次为零时，若观察的是角直径(直径/星体到地球距离)为α的星体，则α=1.22λ/d;若观察的是角间隔(间距/星体到地球距离)为α的双星，则α=λ/2d，式中λ是光的波长。当时，迈克耳孙将干涉仪安装在威尔逊山天文台上，S1和S2的间距为114厘米，干涉条纹的间距为0.02毫米，d的最大值可达6.1米，能测出角直径小于0.02秒的星体。首先测量的星体是参宿四(猎户座α)，测出它的角直径是0.047秒，再根据它到太阳的距离，可求出它的直径为4.1×10千米。天文望远镜的最小分辨角大于1秒，故不能用于上述测量。在现代射电天文学中，类似的仪器可用来测定宇宙射电源的角宽度。3

马赫—秦特干涉仪一种分振幅双光束干涉仪。由马赫和秦特在1892年研制而成。这种干涉仪的原理如图所示。D1和D2为两块分光板，M1和M2为两块平面镜，这四个反射面接近平行，而且它们的中心分别位于一个平行四边形的四个顶点。单色点光源S位于准直透镜L1的前焦面上，S发出的光通过L1后成为平行光，在D1的前表面分成反射光和透射光。反射光被M2反射，透过D2，射向物镜L2;透射光被M1和D2反射，也射向L2。两束光在L2的后焦面P相遇，产生干涉。测量时，将M2和D2稍作倾斜，使视场内只出现几条等距直条纹。这种干涉仪主要用来研究空洞中飞机或导弹模型周围的气流分布。风洞T1和补偿气室T2分别置于两条光路中，气流高速流过风洞中的模型，气流的速度分布形成压力分布，从而影响密度分布，使折射率出现变化，光线的光程也因此发生变化，使干涉条纹也出现变化。根据干涉条纹的照片，就可分析气流的分布。与迈克耳孙干涉仪相比，马赫-秦特干涉仪的光能利用率较高，光只通过每条路径一次，可使干涉条纹位于模型所在的平面上，从而准确定出条纹的位置。若使用激光作光源，还可获得清晰而明亮的干涉图样。4

应用长度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。

引力波测量干涉仪也可以用于引力波探测(Saulson, 1994)。 激光干涉仪引力波探测器的概念是前苏联科学家Gertsenshtein和Pustovoit在1962年提出的（Gertsenshtein和Pustovoit 1962）。 1969年美国科学家Weiss和Forward则分别在1969年即于麻省理工和休斯实验室建造初步的试验系统（Weiss 1972）。 截止今日，激光干涉仪引力波探测器已经发展了40余年。 目前LIGO激光干涉仪实验宣称首次直接测量到了引力波 (LIGO collaboration 2016)。 LIGO可以认为是两路光线的干涉仪， 而另外一类引力波探测实验， 脉冲星测时阵列则可认为是多路光线干涉仪（Hellings 和Downs, 1983）。