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激光干涉仪
概述

    根据光的干涉原理制成的一种仪器。将来自一个光源的两个光束完全分并,各自经过不同的光程,然后再经过合并,可显出干涉条纹。在光谱学中,应用精确的迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪,可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。目前常用来测量长度的干涉仪,主要是以迈克尔逊干涉仪为主,并以稳频氦氖激光为光源,构成一个具有干涉作用的测量系统。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作,并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。

工作原理

    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。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(~10-7米),所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的,其测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。

仪器分类

    激光干涉仪有单频的和双频的两种。
    单频激光干涉仪
    从激光器发出的光束,经扩束准直后由分光镜分为两路,并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时,干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号,经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数,再由电子计算机按计算式[356-11]式中λ为 激光波长(N 为电脉冲总数),算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时,要求周围大气处于稳定状态,各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。
    双频激光干涉仪
    在氦氖激光器上,加上一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应, 激光器产生1和2两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。经1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光,再经分光镜分为两路。一路经偏振片1后成为含有频率为f1-f2的参考光束。另一路经偏振分光镜后又分为两路:一路成为仅含有f1的光束,另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时,含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2 ±Δf的光束,Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率,正负号表示移动方向(多普勒效应是奥地利人C.J.多普勒提出的,即波的频率在波源或接受器运动时会产生变化)。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片2后会合成为f1-(f2±Δf)的测量光束。测量光束和上述参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进入减法器相减,输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后,由电子计算机进行当量换算(乘 1/2激光波长)后即可得出可动反射镜的位移量。双频激光干涉仪是应用频率变化来测量位移的,这种位移信息载于f1和f2的频差上,对由光强变化引起的直流电平变化不敏感,所以抗干扰能力强。它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度,也可用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。利用相应附件,还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。
    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、迈克耳孙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。

应用领域

    干涉仪的应用极为广泛,主要有如下几方面:
    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。
    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。
    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和超精细结构分析。
    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。

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