[科普中國]-雙光束干涉儀

簡介

干涉儀是很廣泛的一類實驗技術(shù)的總稱， 其思想在于利用波的疊加性來獲取波的相位信息， 從而獲得實驗所關(guān)心的物理量。干涉儀并不僅僅局限于光干涉儀。 干涉儀在天文學， 光學， 工程測量， 海洋學， 地震學， 波譜分析， 量子物理實驗， 遙感， 雷達等等精密測量領(lǐng)域都有廣泛應用。

雙光束干涉儀是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉。通過調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)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M1與M2之間的空氣膜厚度改變λ/2。在近代物理和近代計量技術(shù)中，如在光譜線精細結(jié)構(gòu)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。1

瑞利干涉儀一種分波面雙光束干涉儀。1896年，瑞利研究制成，是楊氏雙縫干涉實驗裝置的改型，用于測定流體的折射率。單色縫光源S位于透鏡L1的前焦面，出射的平行光射到與S平行的狹縫S1和S2上，從雙縫出來的光分別通過長度為l的玻璃管T1和T2，接著分別通過補償板C1和C2，在透鏡L2的后焦面上相遇，產(chǎn)生干涉條紋。若在T1和T2中分別裝入折射率為n和n′的流體，則兩束光的光程差變化為(n-n′)l。移過L2后焦面上某一位置的干涉條紋數(shù)為△m=(n-n′)l/λ，式中λ為光的波長。測出△m，由n′的值就可求出n。實際測量中，并不去數(shù)出條紋的移動數(shù)，而是讓半截狹縫(沿垂直于紙面的方向)的光通過玻璃管，另外半截狹縫的光直接在L2的后焦面形成一組比較條紋。調(diào)節(jié)光程補償板C1和C2，就可讀出光程差的變化。瑞利干涉儀能檢測數(shù)量級為10的折射率變化，是檢驗氣體和液體中雜質(zhì)含量的靈敏儀器。例如，在長為100厘米的空氣管中，可以測知含有十萬分之六的氦。2

邁克耳孫星體干涉儀一種分波面雙光束干涉儀。1920年，美國物理學家邁克耳孫設(shè)計制成，用來測量星體的角寬度。其原理如圖所示。S和S2為雙縫，M1、M2、M3和M4為四塊平面鏡，來自遠方星體的平行光被M1和M2反射，再被M3和M3反射，入射到雙縫S1和S2上。從雙縫出射的兩束光，在物鏡L的后焦面上產(chǎn)生干涉條紋。M1和M2是可移動的，整個裝置相當于雙縫間距可變的楊氏雙縫干涉實驗裝置。雙縫間距為M1和M2之間的距離d，干涉條紋的分布由縫S1和S2所決定，透鏡L的大小也由縫S1和S2所決定。星體可看成由許多不相干的點光源所組成的擴展光源，雙星可看成兩個不相干的點光源，各點光源都產(chǎn)生各自的干涉條紋，但互相錯開，總光強分布是它們的非相干疊加，這將使L的后焦面上的干涉條紋的可見度下降。條紋的可見度第一次為零時，若觀察的是角直徑(直徑/星體到地球距離)為α的星體，則α=1.22λ/d;若觀察的是角間隔(間距/星體到地球距離)為α的雙星，則α=λ/2d，式中λ是光的波長。當時，邁克耳孫將干涉儀安裝在威爾遜山天文臺上，S1和S2的間距為114厘米，干涉條紋的間距為0.02毫米，d的最大值可達6.1米，能測出角直徑小于0.02秒的星體。首先測量的星體是參宿四(獵戶座α)，測出它的角直徑是0.047秒，再根據(jù)它到太陽的距離，可求出它的直徑為4.1×10千米。天文望遠鏡的最小分辨角大于1秒，故不能用于上述測量。在現(xiàn)代射電天文學中，類似的儀器可用來測定宇宙射電源的角寬度。3

馬赫—秦特干涉儀一種分振幅雙光束干涉儀。由馬赫和秦特在1892年研制而成。這種干涉儀的原理如圖所示。D1和D2為兩塊分光板，M1和M2為兩塊平面鏡，這四個反射面接近平行，而且它們的中心分別位于一個平行四邊形的四個頂點。單色點光源S位于準直透鏡L1的前焦面上，S發(fā)出的光通過L1后成為平行光，在D1的前表面分成反射光和透射光。反射光被M2反射，透過D2，射向物鏡L2;透射光被M1和D2反射，也射向L2。兩束光在L2的后焦面P相遇，產(chǎn)生干涉。測量時，將M2和D2稍作傾斜，使視場內(nèi)只出現(xiàn)幾條等距直條紋。這種干涉儀主要用來研究空洞中飛機或?qū)椖Ｐ椭車臍饬鞣植?。風洞T1和補償氣室T2分別置于兩條光路中，氣流高速流過風洞中的模型，氣流的速度分布形成壓力分布，從而影響密度分布，使折射率出現(xiàn)變化，光線的光程也因此發(fā)生變化，使干涉條紋也出現(xiàn)變化。根據(jù)干涉條紋的照片，就可分析氣流的分布。與邁克耳孫干涉儀相比，馬赫-秦特干涉儀的光能利用率較高，光只通過每條路徑一次，可使干涉條紋位于模型所在的平面上，從而準確定出條紋的位置。若使用激光作光源，還可獲得清晰而明亮的干涉圖樣。4

應用長度測量在雙光束干涉儀中，若介質(zhì)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(fā)生變化所造成，根據(jù)條紋的移動數(shù)可進行長度的精確比較或絕對測量。邁克耳孫干涉儀和法布里-珀羅干涉儀曾被用來以鎘紅譜線的波長表示國際米。

折射率測定兩光束的幾何路程保持不變，介質(zhì)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(zhì)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(jù)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。

引力波測量干涉儀也可以用于引力波探測(Saulson, 1994)。 激光干涉儀引力波探測器的概念是前蘇聯(lián)科學家Gertsenshtein和Pustovoit在1962年提出的（Gertsenshtein和Pustovoit 1962）。 1969年美國科學家Weiss和Forward則分別在1969年即于麻省理工和休斯實驗室建造初步的試驗系統(tǒng)（Weiss 1972）。 截止今日，激光干涉儀引力波探測器已經(jīng)發(fā)展了40余年。 目前LIGO激光干涉儀實驗宣稱首次直接測量到了引力波 (LIGO collaboration 2016)。 LIGO可以認為是兩路光線的干涉儀， 而另外一類引力波探測實驗， 脈沖星測時陣列則可認為是多路光線干涉儀（Hellings 和Downs, 1983）。