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干涉仪（Interferometer）[2]是一种使用干涉测量技术的光学计量仪器。干涉仪可以根据不同的分类原则进行分类，例如按照干涉光的数量、获得相干光的方法和干涉光之间的频率差等。[3]
干涉仪输出的信息是干涉条纹图，干涉条纹是干涉场中光程差相同点的轨迹，在光学测量中根据干涉条纹的形状、方向、疏密度、颜色，以及条纹移动等情况，就可测量与光程差有关的被测光学量比如面形、折射率均匀性、平行性误差、反射棱镜和屋脊棱镜的角度误差及棱差、光学系统的波像差等。干涉仪还可用作高分辨率光谱仪器，例如基于迈克耳孙干涉仪发展起来的傅里叶变换干涉光谱仪。在天文学领域，干涉仪还用于测量星体的直径等。干涉仪的优势在于其灵敏度和测量精度通常优于其他光学测量仪器。此外，由于干涉测量一般是非接触式的，因此不会对被测物体造成损伤。在未来，干涉仪的主要应用将进一步拓展到凝聚态物理学、工程学、化学和生物学等领域中的介观结构及其动力学研究。[3]
干涉仪的高分辨率和灵敏度将能够提供更准确的测量结果，为这些领域的研究提供更多的信息和理解。它具有快速高效、非接触和无损伤等特点，并在精度和灵敏度上优于其他类型的光学计量仪器。[3]
历史沿革
迈克尔逊干涉仪是最早的干涉仪[1]，由美国物理学家迈克尔逊设计制作的用分振幅干涉法产生双光束干涉的高精度仪器。利用迈克尔逊干涉仪的原理，从而得以研制出各种专用的干涉仪，并已广泛应用于生产和科技领域，比如微小长度、角度测量、物质性质（厚度、折射率）测量及光谱精细结构分析中。[5]
迈克尔逊干涉仪发明之初是用于“以太"漂移实验，来观察地球沿轨道与静止以太之间的相对运动。在1881-1888年期间，迈克尔逊和莫雷进行了多次著名的“迈克尔逊-莫雷”实验，实验结果均否定了“以太”的存在，这是狭义相对论的实验基础之一。1893年，迈克尔逊用干涉仪测定了镉红线的波长，并用此波长作为标准长度，核准基准米尺的长度，其测量精度差小于m。由于发明了精密的光学干涉仪并利用这些仪器完成了重要的光谱学和基本度量学研究，迈克尔逊于1907年获诺贝尔。[5]
随着想要提高迈克尔逊干涉仪的分辨率，保持双镜稳定以观测到干涉条纹的难度越来越大。汉布里·布朗和特维斯在迈克尔逊星体干涉仪基础上加以改进，研制出强度干涉仪。汉布里·布朗和特维斯在1955-1956年利用强度干涉仪做了一系列的实验验证，测得天狼星（Sirius）的张角为弧度，与其他实验方式的测得值完全一致，从而证明这种装置的有效性。随后，他们在澳大利亚设置的双镜距离达到188米，分辨角达到的更大、更精准的干涉仪，随后测量出数百个亮星的直径。[6]
1933年，林尼克（Linnik）于1933年首次提出了一种用于评价光学元件的简单干涉仪。[7]20世纪60年代激光器出现后，就有了用激光做光源的激光干涉仪。到了20世纪70年代以后，随着计算机技术的发展，将激光干涉仪和电子计算机综合起来的许多新的干涉仪，可以实现实时测量。[3]1972年，斯马特（Smartt）和斯特朗（Strong）重新应用点衍射干涉仪进行光学检测。[8]20世纪70—80年代，斯马特等开展一系列针对点衍射干涉仪的工作，进一步完善点衍射干涉技术，发展出了基于部分透射针孔板的点衍射干涉仪结构，并成功将点衍射干涉仪用于构建干涉显微镜和大型望远镜镜片的校准和检测。[7]
1978年，美国亚利桑那大学（Arizona State University）的科里奥普罗斯（Koliopoulos）等研制了一种用于测试高能激光系统的红外点衍射干涉仪。随着移相干涉检测技术的出现，1986年，A.K.Aggarwal等人将其应用于研究分析透明物体由折射率微扰所引起的波前畸变。1996年，默瑟（Mercer）等设计了一种液晶点衍射移相干涉仪。该干涉仪使用一个可变形的透明塑料微球作为衍射源，取得与平板点衍射相同的功能，并用于温度测量。2003年，Neal（The University of Arizona）报道了采用电光调制器和偏振元件实现移相的偏振移相点衍射干涉。[8]
2021年9月，中国科学技术大学潘建伟院士团队与美国麻省理工学院科研团队合作，利用济南量子技术研究院研制的周期极化铌酸锂波导，搭建颜色擦除强度干涉仪，成功分辨出1.43km距离外相距4.2mm的两个不同波长光源，以超过单望远镜衍射极限40倍的结果验证了颜色擦除强度干涉技术具备高空间分辨成像能力，相关成果在国际学术期刊《物理评论快报》发表。[9]
分类
按照不同的分类原则，干涉仪有多种分类方式，比如按照干涉光数量分类、按照获得相干光的方法分类、按照干涉光之间频率差分类等。[3]
按照干涉光数量分类
这是干涉仪的基础分类方法，分为双光束干涉仪和多光束干涉仪两大类。双光束干涉仪是将一束入射光通过分束镜等装置分成两束光，这两束光分别经过各自的光路传输后再次合成。[3][10]迈克尔逊干涉仪、瑞利干涉仪、马赫-曾德干涉仪、雅满干涉仪等都属于双光束干涉仪。[11]多光束干涉仪中形成干涉条纹的光束往往有很多束，法布里-珀罗干涉仪就是多光束干涉仪的典型代表。[12][13]相对于双光束干涉仪，多光束干涉仪通常具有更高的灵敏度，但其自由光谱范围相对较小。[3][13]
按照获得相干光的方法分类
干涉仪可以根据工作原理和光路的不同进行分类，其中最基本的分类方法是将其分为振幅分割干涉仪和波阵面分割干涉仪。振幅分割干涉仪是通过界面部分反射，将一束入射光分为两束或多束，从而形成干涉条纹。斐索干涉仪、迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪等都属于这一类别。波阵面分割干涉仪是通过光阑等装置，截取入射光波阵面不同位置上的光，作为干涉光，形成干涉条纹。杨氏干涉实验、劳埃德镜和瑞利干涉仪等都是属于波阵面分割干涉仪。[11]
另外，根据干涉光传播光路是否相同，双光束干涉仪可以分为双路干涉仪和共路干涉仪两类。双路干涉仪中，参考光束与测量光束在光路上相互分开。迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪和雅曼干涉仪都是典型的双路干涉仪。双路干涉仪的优点在于可以保证待测物体不影响参考光束的传输，但缺点在于器件震动、温度变化等因素对参考光束和测量光束的影响不同，需要采取隔震、隔热等处理手段来保证干涉条纹的稳定。共路干涉仪中，参考光束和测量光束的光路相同或非常接近，从而减小了器件震动等因素的影响，适用于现场实时测量。常见的共路干涉仪包括牛顿干涉仪、点衍射干涉仪和错位干涉仪等。[11][14]
按照干涉光之间频率差分类
双光束干涉仪主要是根据不同的干涉原理和信号处理方式进行还可以分为光零差干涉仪和光外差干涉仪两类。光零差干涉仪是通过两束相干光的干涉产生干涉条纹，测量条纹的强度变化来确定光程差的变化情况，进而获得折射率、长度等物理参量。光零差干涉仪要求参考光和测量光的强度比不能太大，需要抑制光源强度变化以及器件震动等因素引起的干涉光强直流漂移。而光外差干涉仪则利用两束存在一定频率差的相干光进行干涉，产生干涉条纹。干涉条纹的强度会随时间发生周期性变化，其中差频信号的频率等于两束干涉光的频率差，通常在几兆赫到几百兆赫的范围内。通过对干涉条纹的差频信号进行交流放大、滤波等处理，可以将干涉条纹的强度信息从复杂的光强背景中提取出来，从而实现高精度测量。光外差干涉仪能够用于现场实时测量，克服了光电探测中宽带噪声的影响。[15]
基本功能和原理
目前世界各国生产的干涉仪基本原理为分振幅的等厚干涉和等倾干涉，或分波前的各种干涉。[1]
迈克尔逊干涉仪的原理
扩展光源上任一点S发出光线入射到45°放置的平行平板G1上，在镀有半反半透膜的下表面C上分出两条光线，一条是反射光，射向全反射镜M1，再返回由G1，折射和透镜L聚焦打在焦平面P点上，设此路光线为Ⅰ。另一条光是透射光，通过与G1相同的45°镜G2入射到全反射镜M2上，其回程光线在G1的C面反射并通过透镜聚焦打在焦平面P点上，设此路光线为Ⅱ。光线Ⅰ、Ⅱ产生相干。G2的作用是补偿光程差，因为从C点射向M1的光线两次通过平板G1，在Ⅱ路光线上放置G2恰好使两路光产生的附加程差抵消。[1]
当M1和M2垂直放置时，等效平行平板干涉，把M2镜转90°相当于放在M'2的位置，M1和M'2之间的空气隙就等效为一个虚平板，同一光线在两个面反射后程差将为：[1]
当时为极大值m=0,1,2,3,…。[1]
虚平板与实平板对应的程差不同，虚平板不存在反射时的位相突变，所以平行平板程差式中的半波程差可忽略。用平行平板干涉理论可以处理迈克尔逊干涉仪中的各种问题，比如干涉级、条纹角半径和角间距的计算，干涉图形的形状是里疏外密同心圆环等。如果令迈克尔逊干涉仪的水平臂前后移动，相当M'2上、下移动，虚平板的厚度d将产生变化。当d变小时，由式可知，条纹角间距将增加，再由式，d减小导致高级次，即m数大的干涉级消失。所以随d的减小，条纹向中心收缩并不断消失，整个条纹显得越来越疏松。当虚平板的厚度为零时，即垂直臂和水平臂的几何距离完全相等时，干涉场看不到干涉圆环，呈现一片亮区，在移动M2镜时，透镜L焦平面中心每消失一个于涉环意味着M2移动距离，用这种方法可精确测量微小长度。[1]
迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊干涉仪演变和发展了各种干涉仪[1]，它是由光源发出的光束射在一块半透半反射的平行平板上，这块平板把光束一分为二，两条光束都几乎以垂直方向入射于平面镜上，经反射后又合并成一条光束，由于光程差，可以用望远镜观察到干涉条纹。一般由单色光源、准直系统、半透半反射分束镜、观察系统组成。其主要优点是两束光完全分开，并可由一个镜子的平移来改变它们的光程差，可以很方便地在光路中安置测量样品。[3]
迈克尔逊干涉仪具有以下主要特点：[22]
分束干涉：迈克尔逊干涉仪将入射光分为两束，经过不同路径传播后再重新叠加，通过观察干涉条纹的变化来测量光程差。[22]光程差可调：通过平移一个反射镜或采用其他方法来改变两束光的光程差，以满足不同测量需求。[22]可测量样品：迈克尔逊干涉仪的光路中可以方便地安置样品，以测量其光学性质或尺寸。[22]不受振动影响：由于参考光和测量光是共光路的，迈克尔逊干涉仪对机械振动或温度变化的影响很小，可以获得稳定的干涉图样。[22]
点衍射干涉仪
点衍射干涉仪可以用来测量光学系统所引入的畸变信息，其组成结构是：平面波前通过待测光学系统时，会产生畸变波前；畸变波前在经过一个中间有针孔或不透明圆盘的吸收膜片后，会通过衍射形成近似标准的球面波，成为参考波；而从针孔外部透射的光波，则仅会改变波前的辐射强度，不会改变波前所携带的畸变信息，它作为测量波。参考波前和测量波前会发生干涉，形成干涉条纹。通过对干涉图的分析，可以获得被测波前的畸变信息。为了获得清晰的条纹对比度，参考光和测量光的强度需要大致相当。通过横向和纵向移动针孔，可以使参考波前发生倾斜和离焦（如果入射光束的焦点偏离点衍射板上的针孔，则会引入离焦；如果针孔偏离光轴，则会引入倾斜）。这样，点衍射干涉仪就可以产生类似于常见干涉仪的干涉图，能够直观地反映被测波前的相位分布。[8]
点衍射干涉仪具有以下主要特点：[8]
不受振动影响：与迈克尔逊干涉仪类似，点衍射干涉仪由于共光路的特性，对机械振动和温度变化的影响较小。[8]结构简单：点衍射干涉仪结构简单，对光源没有特殊要求，可以使用白光照明。[8]不需要标准镜：点衍射干涉仪的测量不需要使用标准镜，因此测量结果不受标准镜头加工精度的限制。[8]适用于透射光：点衍射干涉仪主要用于检测透射的会聚波前，不适用于反射光的测量。同时，在点衍射干涉仪中很难将参考光和检测光分开以引入移相装置，因此实现高准确度的检测仍然具有一定困难。[8]
法布里-珀罗干涉仪
法布里-珀罗干涉仪是一种光学仪器，由两块平行放置的平面玻璃板或石英板组成。两板的内表面通常镀有银或铝膜，或涂有多层介质膜，以增强表面的反射。这样可以形成一个具有高反射率的光学腔，用于产生干涉条纹。这两块板之间有一个小的楔角，通常在1'~10'的范围内，它可以避免发生在无镀膜表面上的反射光的干扰。两块平板之间的间隔可以调节，以改变光程差。如果在两板之间放置一个间隔圈，使得两板之间的距离保持不变，则称其为法布里-珀罗标准具。法布里-珀罗干涉仪使用扩展光源进行照明，产生的干涉条纹比迈克尔逊干涉仪产生的等倾干涉条纹更加精细。条纹干涉级别取决于空气平板的厚度。一般情况下，法布里-珀罗干涉仪的使用范围是1~200mm。有些特殊装置中，空气平板的厚度可以达到1m。条纹干涉级别越高，干涉条纹越尖锐，分辨率也越高。法布里-珀罗干涉仪主要用于研究光谱线的超精细结构，例如自由光谱范围标准具常数、分辨本领和角色散等。利用已知尺寸的标准具，可以测量其他标准具和工件的长度。此外，法布里-珀罗干涉仪还可以用作激光器的谐振腔。[3]
法布里-珀罗干涉仪具有以下主要特点：[19]
波长选择性：法布里-珀罗干涉仪的透过率对不同波长具有明显的选择性，其两端面的反射率越高，波长的选择性越明显。[19]高分辨能力：法布里-珀罗干涉仪的干涉条纹尖锐度和分辨力较高，可以用于测量光学元件的尺寸、角色散等参数。[19]激光谐振腔：法布里-珀罗干涉仪可用作激光器的谐振腔，通过调节光程差来控制激光的输出特性。[19]单色光要求：由于法布里-珀罗干涉仪利用干涉现象产生条纹，对光源的单色性要求较高，只有单色光才能产生清晰的干涉条纹。[19]
特点
干涉仪是以干涉测量技术为核心的光学计量仪器，它具有快速高效、非接触、无损伤等特点，并在精度和灵敏度上优于其他类型的光学计量仪器。[4]干涉仪输出的信息是干涉条纹图，通过分析干涉条纹的形状、方向、疏密度、颜色以及条纹移动等情况，可以测量与光程差有关的光学量，包括面形、折射率均匀性、平行性误差、棱镜的角度误差和棱差、光学系统的波像差等。干涉条纹的形状可以提供被测物体的面形信息，如平面或曲面的形状。干涉条纹的方向可以提供被测物体的平行性误差信息，如判断两个表面是否平行。干涉条纹的疏密度可以提供被测物体的折射率均匀性信息，如判断材料的均匀性。干涉条纹的颜色和条纹移动情况可以提供被测物体的角度误差和棱差信息，如判断棱镜的角度误差和折射面的折射率误差。干涉条纹的形状和位置变化还可以提供光学系统的波像差信息，如判断透镜的球差、色差等。因此，通过分析干涉条纹图，可以得到被测光学量的信息，实现精确测量和检测。[3]干涉测量的误差只有很少一部分来自干涉仪本身，绝大多数误差来自环境。例如，空气的温度、压力、湿度不同则空气折射率不同，激光的波长依空气折射率而变化。[23]
应用和发展
干涉仪广泛应用于光学测量领域，常用于以下方面的测量和检测：[4]
粗糙度测量：通过测量反射光的干涉条纹变化来评估表面的粗糙度。[4]表面形状测量：通过测量干涉条纹的形态和密度变化来获得光学元件或光学系统的表面形状信息，如平面度、球面度或非球面度。[4]光学材料均匀性测量：通过分析干涉条纹的变化来评估光学材料的均匀性和光学性能。[3]波像差测量：干涉仪可用于测量光学系统的波前形态和波像差，从而优化光学系统的性能。[3]光谱测量：基于迈克耳孙干涉仪原理的傅里叶变换干涉光谱仪可用于高分辨率的光谱测量。[3]天文观测：干涉仪可用于测量星体直径和其他天文现象，提供宇宙研究和天体测量的重要工具。[3]高精度光学测量：干涉仪具有高灵敏度和测量精度，通常采用非接触检测方式。[3]
干涉仪作为一种光学测量装置，可以提供与波函数振幅和相位有关的信息。在未来，干涉仪在凝聚态物理学、工程学、化学和生物学等领域中的应用将主要集中在研究介观结构及其动力学性质上。[11]在微纳米尺度柔性测量系统的发展中，干涉仪将起到重要作用。目前，纳米级柔性测量系统主要使用光学测量方法（以激光干涉为代表）和非光学测量方法（以扫描探针显微镜（SPM）为代表）。激光干涉仪与光纤传感技术的结合使得干涉仪具有了更好的小型化和集成化能力。光纤的可集成性、可远距离传输和抗干扰能力强，使其在干涉仪的光传导部分起到了重要作用。随着技术的不断发展，干涉仪在微纳米尺度柔性测量系统中的应用有望进一步拓展。这将有助于实现更高精度和更复杂的测量，进一步推动凝聚态物理学、工程学、化学和生物学等领域的研究和应用的发展。[24]
参考资料 24
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 我国科学家实现高空间分辨成像 超传统衍射极限40倍_新闻_央视网(cctv.com) — 央视网
- 参考 10
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- 参考 15
- 参考 16
- 参考 17
- 参考 18
- 参考 19
- 参考 20
- 参考 21
- 参考 22
- 参考 23
- 参考 24
注释
- 迈克尔逊干涉仪作为最早的干涉仪，众多干涉仪是由此演变过来的，故在此给出迈克尔逊的详细原理。