干涉仪

编辑:斑蝥网互动百科 时间:2019-11-12 17:09:36
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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 (Thompson et al, 2001)[1]  , 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(Hariharan, 2007)[2] 
中文名
干涉仪

干涉仪基本原理

具有固定相位差的两列准单色波的叠加将导致振幅发生变化, 从而可以通过测量较容易测量的振幅来获取波的相位信息。
两列具有同频率波之振动在一点处可以用如下公式描述
那么这两列波叠加以后的波的振动为
三角运算给出其中叠加后的振幅为
可以看到, 叠加后的振幅与两列波的初始相位差有关。 由于幅度变化依赖于相位差的余弦函数, 这种幅度的变化有时候在空间表现为周期性的条纹。 这种条纹有时候叫做干涉条纹, 由于相位差变化引起的幅度变化有时也称为条纹移动。

干涉仪分类

干涉仪的分类有不同分法
按照结构区分
干涉仪可以分为单路径干涉仪和多路径干涉仪两类, 其差异在于干涉的波是否通过同一路径传播。 例如迈克尔逊干涉仪就是常见的多路径干涉仪, 而Sagnac干涉仪, 等倾干涉和等厚干涉等即为单路径干涉仪(钟锡华, 陈熙谋, 2002)[3] 
按照干涉光来源区分
干涉仪可以分成波前分解和幅度分解两类, 其差异在于是否利用波前上不同位置的子波源形成干涉。 例如杨氏双缝干涉即属于波前分解干涉仪(钟锡华, 陈熙谋, 2002)[3]  ; 而等倾干涉和等厚干涉即为幅度分解干涉仪。

干涉仪应用

干涉仪的应用极为广泛,主要有如下几方面:

干涉仪长度测量

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。

干涉仪折射率测定

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。

干涉仪波长的测量

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。

干涉仪检验光学元件

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

干涉仪引力波测量

干涉仪也可以用于引力波探测(Saulson, 1994)[4]  。 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)[5]  。 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)[6]  。 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)[7]  。 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)[8] 

干涉仪其他

用作高分辨率光谱仪法布里-珀罗干涉仪等多光束干涉仪具有很尖锐的干涉极大,因而有极高的光谱分辨率,常用作光谱的精细结构超精细结构分析。
历史上的作用。19世纪的波动论者认为光波或电磁波必须在弹性介质中才得以传播,这种假想的弹性介质称为以太。人们做了一系列实验来验证以太的存在并探求其属性。以干涉原理为基础的实验最为精确,其中最有名的是菲佐实验和迈克耳孙-莫雷实验。1851年,A.H.L.菲佐用特别设计的干涉仪做了关于运动介质中的光速的实验,以验明运动介质是否曳引以太。1887年,A.A.迈克耳孙和E.W.莫雷合作利用迈克耳孙干涉仪试图检测地球相对绝对静止的以太的运动。对以太的研究为A.爱因斯坦的狭义相对论提供了佐证。
参考资料
  • 1.    A. P.Thompson, J. M. Moran, G. W. Swenson Jr., 2001, Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy, Wieley-VCH, ISBN: 0471254924
  • 2.    P. Hariharan, Basics of interferometry, Acadamic Press, London, ISBN: 978-0-12-373589-8
  • 3.    钟锡华, 陈熙谋, 2002, 大学物理通用教程 光学分册, 北京, 北京大学出版社, ISBN 978-7-301-18699-2
  • 4.    P. Saulson, 1994, Fundamentals of Interferometric Gravitational Wave Detectors, World Scientific Publishing Co Pte Ltd, Sigapore, ISBN: 9810218206
  • 5.    Gerstenstein and Pustovoit, 1963, JETP, 16, 433.
  • 6.    R. Weiss, 1972, Electromagnetically Coupled Broadband Gravitational Antenna, Quarterly Progress Report, Research Laboratory of Electronics, MIT 105: 54.
  • 7.    LIGO collaboration, 2016, Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett., 116, 061102
  • 8.    Hellings and Downs, 1983, ApJ, 265, 39
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