干涉仪 interferometer

利用干涉原理测量光程之差，从而测定有关物理量的光学仪器。

1.原理

两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。

测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长。所以干涉仪以光波波长为单位测量光程差，其测量精度之高是任何其他测量方法无法比拟的。

2.分类

干涉仪分双光束干涉仪和多光束干涉仪两大类，前者有瑞利干涉仪、迈克尔逊干涉仪及其变型泰曼干涉仪、马赫-秦特干涉仪等，后者有法布里-珀罗干涉仪等。

2.1.雅满干涉仪

J.雅满于1856年发明。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。

雅满干涉仪由两块折射率和厚度完全相同的平行平面玻璃板组成。板上镀有银面，结构如图1所示。

图1 雅满干涉仪光路图

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，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，会在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以分开。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。

使用时以玻璃表面与图面的交线为轴将M2板转动一个很小的角度，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，折射率的改变为，则：

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

2.2.迈克耳孙干涉仪

根据分振幅原理设计的精密测量仪器。由A.A.迈克尔逊于1881年创制。基本结构如图2。

图2 迈克耳孙干涉仪光路图

M1和M2是互相垂直放置的反射镜，D和C是两块厚度相同的抛光玻璃平板，D的背面涂有半反射层，可使入射光分成强度相等的反射光和透射光，故名分束器。从扩展光源来的光在分束器上分割成两束相干光。分别经M1和M2反射后重新重叠起来，在E处观察干涉条纹。

平板C是为使两束相干光通过玻璃板的次数相同（使光程差不致过大）而设置，称补偿板。

从观察点E看来，两束相干光分别是从M1和M2反射而来，M2′是M2在半反射镜中的虚像。M1和M2严格垂直时，M1和M2′严格平行，相当于平行平面薄膜的两个表面，E处将观察到同心圆环状等倾干涉条纹。

反射镜M1可借助于精密螺栓在导轨上前后移动，移动距离可精确读出。M1移动时相当于连续改变M1和M2′间的距离，干涉条纹将跟着移动。

在视场中心设置参考标记，当有Δk个条纹移过参考标记时，M1移动的距离：

Δl=(λ/2)Δk

式中为波长。只要数出移过参考标记的条纹数，由此式即可算出移动的距离，故迈克耳孙干涉仪可用来精确测定长度。

2.3.泰曼干涉仪

迈克耳孙干涉仪的一种变型。由两个准直透镜、分束器、标准平板以及标准球面镜组成。单色光经小孔、光源准直透镜后被分束器分解成参考光束和检测光束。二者分别由标准平面和检测系统自准返回后，再经分束器，通过观测准直透镜重合，形成等厚干涉条纹（如图3）。

图 3 泰曼干涉仪

根据条纹的形状来判断被测件的光学质量。常用来检查光学玻璃内部的不均匀性和各种缺陷，精确测定棱镜的角度，检验反射镜和透镜的质量。

2.4.马赫-秦特干涉仪

由雅满干涉仪发展而成，由L.马赫和L.秦特研制，特点是使用了4块玻璃板，两束光的光路组成平行四边形见图4。

图4 马赫-秦特干涉仪

由于两束光可分得很开，特别适用于空气动力学中关于气流折射或密度分布变化的研究。作这种实验时T1处放一个风洞，而T2处放一个参考室（装有不流动的同样气体），用以补偿光程。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。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，不仅能获得清晰而又足够亮的干涉图样，且便于调节。

2.5.瑞利干涉仪

瑞利于1896年发明，又称瑞利折射计，至今仍广泛用于测定气体和液体的折射率。也是一种分束仪器。

一束光当作参考光，另一束先通过折射率已知的物质，后通过未知折射率的物质。从干涉条纹的位移可确定折射率。可准确测量气体或液体的折射率、气体或液体混合物中某一成分含量的百分数。

灵敏度很高，测量折射率的微小变动可达，常用于矿井中有害的微量气体的分析及水中微量物质的分析等。煤矿中常用它测量矿井中瓦斯的含量。

2.6.法布里-珀罗干涉仪

一种多光束干涉仪，其光谱分辨率极高，由C.法布里和A.珀罗于1897年发明。结构原理如图6所示，P1和P2是两块互相平行的楔形玻璃板，两玻璃板相对的平面上喷镀有高反射膜。两板间用殷钢环隔离并固定。这种间距固定不变的于涉仪常称作标准具。

图5 法布里-珀罗干涉仪的光路图曲线

入射光在相对两面上反复反射和折射后产生多束相干反射光和透射光，透射光束在透镜L2的焦面上叠加，形成等倾圆环状干涉条纹。

法布里-珀罗干涉仪的反射率在90％以上。不同波长成分的光，形成各自的圆环条纹，亮条纹极锐，波长差极小的光谱也能分离，故有极高的光谱分辨率，常用来研究光谱的精细结构和超精细结构。

2.7.外差干涉仪

又称双频激光干涉仪，使用两种不同频率的激光作为测量光束和参考光束。通过光电探测器的混频，输出差频信号。被测物体的变化，如位移、振动、转动、大气扰动等引起的光波相位变化或多普勒频移均可载于此差频上，经解调即可获得被测数据。

优点是：物体变化所产生的多普勒频移信息因载于稳定的差频上，且频率较高（几兆至100兆赫），故光电探测时避过了低频噪声；利用的是频率跟踪等“外差解调技术”，滤除了大量宽带噪声，因此提高了光电信号的信噪比。外差干涉测长仪可在光强衰减90％时正常工作，故能用于生产现场，并能测量较长距离。还可直接从输出频率相对于差频的增减判别运动的方向，因此可测量物体的连续变化过程，如随机振动波形、气流扰动随时间变化过程等，单频干涉仪较难实现。

双频激光干涉仪广泛用于测速、测长、测角、测振、测表面光洁度、测激光束通过湍流时光束的扰动、提高望远镜的视轴瞄准精度以及作自适应光学中的鉴相器等领域，所以可获得比单频干涉仪更高的精度。

还有其他类型的干涉仪，以适应不同类型的应用需求。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第7册，中国大百科全书出版社，2009年