干涉儀

基本原理

具有固定相位差的兩列準(zhǔn)單色波的疊加將導(dǎo)致振幅發(fā)生變化， 從而可以通過(guò)測(cè)量較容易測(cè)量的振幅來(lái)獲取波的相位信息。

兩列具有同頻率波之振動(dòng)在一點(diǎn)處可以用如下公式描述

那么這兩列波疊加以后的波的振動(dòng)為

三角運(yùn)算給出其中疊加后的振幅為

可以看到， 疊加后的振幅與兩列波的初始相位差有關(guān)。 由于幅度變化依賴于相位差的余弦函數(shù)， 這種幅度的變化有時(shí)候在空間表現(xiàn)為周期性的條紋。 這種條紋有時(shí)候叫做干涉條紋， 由于相位差變化引起的幅度變化有時(shí)也稱為條紋移動(dòng)。

分類

干涉儀的分類有不同分法

按照結(jié)構(gòu)區(qū)分

干涉儀可以分為單路徑干涉儀和多路徑干涉儀兩類， 其差異在于干涉的波是否通過(guò)同一路徑傳播。 例如邁克爾遜干涉儀就是常見的多路徑干涉儀， 而Sagnac干涉儀， 等傾干涉和等厚干涉等即為單路徑干涉儀（鐘錫華， 陳熙謀， 2002）3。

按照干涉光來(lái)源區(qū)分

干涉儀可以分成波前分解和幅度分解兩類， 其差異在于是否利用波前上不同位置的子波源形成干涉。 例如楊氏雙縫干涉即屬于波前分解干涉儀（鐘錫華， 陳熙謀， 2002）3； 而等傾干涉和等厚干涉即為幅度分解干涉儀。

應(yīng)用

干涉儀的應(yīng)用極為廣泛，主要有如下幾方面：

長(zhǎng)度測(cè)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(dòng)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(dòng)數(shù)可進(jìn)行長(zhǎng)度的精確比較或絕對(duì)測(cè)量。邁克耳孫干涉儀和法布里-珀羅干涉儀曾被用來(lái)以鎘紅譜線的波長(zhǎng)表示國(guó)際米。

折射率測(cè)定

兩光束的幾何路程保持不變，介質(zhì)折射率變化也可導(dǎo)致光程差的改變，從而引起條紋移動(dòng)。瑞利干涉儀就是通過(guò)條紋移動(dòng)來(lái)對(duì)折射率進(jìn)行相對(duì)測(cè)量的典型干涉儀。應(yīng)用于風(fēng)洞的馬赫-秦特干涉儀被用來(lái)對(duì)氣流折射率的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。

波長(zhǎng)的測(cè)量

任何一個(gè)以波長(zhǎng)為單位測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)米尺的方法也就是以標(biāo)準(zhǔn)米尺為單位來(lái)測(cè)量波長(zhǎng)的方法。以國(guó)際米為標(biāo)準(zhǔn)，利用干涉儀可精確測(cè)定光波波長(zhǎng)。法布里-珀羅干涉儀（標(biāo)準(zhǔn)具）曾被用來(lái)確定波長(zhǎng)的初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（鎘紅譜線波長(zhǎng)）和幾個(gè)次級(jí)波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)，從而通過(guò)比較法確定其他光譜線的波長(zhǎng)。

檢驗(yàn)光學(xué)元件

泰曼干涉儀被普遍用來(lái)檢驗(yàn)平板、棱鏡和透鏡等光學(xué)元件的質(zhì)量。在泰曼干涉儀的一個(gè)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(píng)估透鏡的波像差。

引力波測(cè)量

干涉儀也可以用于引力波探測(cè)(Saulson, 1994)4。 激光干涉儀引力波探測(cè)器的概念是前蘇聯(lián)科學(xué)家Gertsenshtein和Pustovoit在1962年提出的（Gertsenshtein和Pustovoit 1962）5。 1969年美國(guó)科學(xué)家Weiss和Forward則分別在1969年即于麻省理工和休斯實(shí)驗(yàn)室建造初步的試驗(yàn)系統(tǒng)（Weiss 1972）6。 截止今日，激光干涉儀引力波探測(cè)器已經(jīng)發(fā)展了40余年。 目前LIGO激光干涉儀實(shí)驗(yàn)宣稱首次直接測(cè)量到了引力波 (LIGO collaboration 2016)7。 LIGO可以認(rèn)為是兩路光線的干涉儀， 而另外一類引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)， 脈沖星測(cè)時(shí)陣列則可認(rèn)為是多路光線干涉儀（Hellings 和Downs, 1983）8。

其他

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極大，因而有極高的光譜分辨率，常用作光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)分析。

歷史上的作用。19世紀(jì)的波動(dòng)論者認(rèn)為光波或電磁波必須在彈性介質(zhì)中才得以傳播，這種假想的彈性介質(zhì)稱為以太。人們做了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證以太的存在并探求其屬性。以干涉原理為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)最為精確，其中最有名的是菲佐實(shí)驗(yàn)和邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)。1851年，A.H.L.菲佐用特別設(shè)計(jì)的干涉儀做了關(guān)于運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的光速的實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)明運(yùn)動(dòng)介質(zhì)是否曳引以太。1887年，A.A.邁克耳孫和E.W.莫雷合作利用邁克耳孫干涉儀試圖檢測(cè)地球相對(duì)絕對(duì)靜止的以太的運(yùn)動(dòng)。對(duì)以太的研究為A.愛因斯坦的狹義相對(duì)論提供了佐證。