[科普中国]-共光路干涉仪

简介

共光路干涉仪是一类干涉仪，其参考光束和样品光束沿着相同的路径传播。实例包括Sagnac干涉仪，Zernike相位干涉仪和点衍射干涉仪。共光路干涉仪通常比“迈克尔逊干涉仪或马赫 - 策德尔干涉仪”这样的“双路干涉仪”更能抵抗环境振动的干扰。虽然沿着相同的路径行进，参考和样品光束可以沿着相反的方向行进，或者它们可以沿相同方向行进，但是具有相同或不同的极化。

双路干涉仪对参考和样品臂之间的相移或长度变化非常敏感。因此，共光路干涉仪已被广泛应用于科学和工业测量小位移，折射率变化，表面不规则等。然而，有一些应用，其中对参考和样品路径之间相对位移或折射率差异的敏感性是不希望的；或者，可能对某些其他属性的测量感兴趣。1

散射板干涉仪散射板干涉仪是一种共光路干涉仪，曾被成功地用来检验过直径近1m的F/4物镜，有重要的实用价值。伯奇(J.M.Burch)于1953年发现散射板干涉现象并制成了最初的散射板干涉仪。散射板干涉的机制，一般都用光程差分析来说明，其条件是要求两块散射板的二维散射性能分布完全一致而且在光路装配 和校正后满足严格的点对点一一对应的物像共轭关系。加工与装校的困难使这种精度达到微米量级的共轭 关系不可能得到满足，尽管如此，实际上并不会影响散射板干涉仪干涉条纹的生成。散射板干涉仪在使用时 还可以将一块散射板相对另一块散射板平移，完全破坏了其共轭关系，但它还是能够产生平行直条纹，这些 都是光程差分析不能解释的。1969年斯科特(R.M.Scott)提出了一种傅里叶分量分析方法，只完成了不 很完善的半定量分析。其后，很多研究者不断进行研究，直到1997年Rasanen等人用标量衍射理论对散射 板干涉仪进行了数字模拟，将散射板看成是一半像素为0相位一半像素是π/2相位的随机相位板，其结果也 没有能够解决共轭关系要求过高的矛盾。2007年陈家璧从傅里叶光学与统计光学原理出发，对散射板干 涉仪的基本光路进行了严格分析。用傅里叶光学证明先散射后透射与先透射后散射两条光路在被测镜无像 差时传播光的等价性，给出存在波像差时先散射后透射与先透射后散射两条光路传播光场的变化。而后用统 计光学的方法导出了在散斑条件下干涉条纹产生的机理，建立了干涉条纹与被检验物镜的波像差之间的关 系，干涉条纹对比度与两散射板透射率相关性之间的关系，给出了散射板干涉仪在使用时可以将一块散射板 相对另一块散射板平移，产生平行直条纹的原因，从而完成了散射板干涉仪干涉原理的基本分析。2

Sagnac干涉仪Sagnac干涉仪完全不适合测量长度或长度变化。在Sagnac干涉仪中，从分束器出射的两个光束同时沿着相反方向的矩形四边形绕过，并在原始分光器处重新组合。结果是，Sagnac干涉仪首先对其光学部件的任何移动完全不敏感。实际上，为了使Sagnac干涉仪可用于测量相位变化，干涉仪的光束必须稍微分开，使得它们不再遵循完全共同的路径。即使有轻微的光束分离，Sagnac干涉仪也提供优异的对比度和边缘稳定性。[2] Sagnac干涉仪的两个基本拓扑是可能的，每个路径中是否存在偶数或奇数次的反射。在具有奇数个反射的Sagnac干涉仪中，例如所示的那样，相对行进的光束的波前在大部分光路上相对于彼此横向反转，因此拓扑不是严格的共同路径。

Sagnac干涉仪的最好的使用在于它对旋转的灵感性。旋转对这种形式的干涉仪的影响的第一个叙述在1913年由乔治·萨尼亚克（Georges Sagnac）发表，他错误地认为，他发现“旋转乙醚”的能力反驳了相对论。目前的Sagnac干涉仪的灵敏度远远超过了Sagnac的原始安排。旋转的灵敏度与反向旋转光束的面积成正比，并且Sagnac干涉仪的当今后代的光纤陀螺仪使用数千个光纤环而不是镜子，使得即使是小到中等单位容易检测到地球的旋转。环形激光陀螺仪（未示出）是在惯性导航系统中具有重要应用的Sagnac旋转传感器的另一种形式。

由于其特殊的对比度和边缘稳定性，使用Sagnac配置的干涉仪在导致爱因斯坦发现狭义相对性的实验中发挥了重要作用，并在随后的防御理论和实验挑战的相对性方面起了重要作用。例如，在1887年的着名实验一年之前，迈克尔森和莫利（1886年）重演了1851年的Fizeau实验，用一个如此高稳定性的均匀反射的Sagnac干涉仪替代了Fizeau的设置，即使将一个点亮的比赛光路不会造成人为的边缘位移。1935年，古斯塔夫·威廉·哈马尔（Gustaf Wilhelm Hammar）驳斥了狭义相对论的一个理论挑战，试图将迈克尔逊 - 莫利型实验的无效结果解释为使用奇异反射Sagnac干涉仪的以色列拖延的神器。他可以在开放的高山顶操作这个干涉仪，没有温度控制，但仍然可以读取1/10的边缘精度。

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。3

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）4