[激光原理与应用-180]：测量仪器 - 频谱型 - 干涉仪的定义、功能、原理、组成

干涉仪是一种基于光的干涉原理设计的精密测量仪器，能够通过检测光波的相位、频率或振幅变化，实现纳米级甚至亚原子级的测量精度。以下是其定义、功能、原理及组成的详细解析：

一、定义

干涉仪是一种利用两束或多束相干光波叠加产生干涉现象的仪器，通过分析干涉条纹的移动、变形或强度变化，反推出被测物理量（如长度、位移、折射率、表面形貌等）的精密测量工具。

二、功能

干涉仪的核心功能是高精度测量，具体应用包括：

1. 长度与位移测量
   • 测量微小位移（如纳米级振动、机械零件形变），微小的位移变化会引起干涉条纹的变化！
   • 校准标准长度（如光栅尺、激光干涉比长仪）。
2. 表面形貌分析
   • 检测光学元件表面粗糙度（如透镜、反射镜）。
   • 测量三维形貌（如半导体晶圆、生物组织）。
3. 折射率与光学常数测定
   • 测量液体或气体的折射率（如化学溶液浓度检测）。=》不同的折射率，干涉条纹会发射变化。
   • 分析材料的光学性质（如薄膜厚度、双折射效应）。
4. 引力波探测
   • 大型激光干涉仪（如LIGO）通过检测空间微小形变（10−18米级）探测引力波。
5. 光学相干断层扫描（OCT）
   • 医疗领域用于视网膜成像、皮肤组织分析。

三、原理

干涉仪的工作原理基于光的波动性，核心是相干光叠加产生的干涉现象：

1. 相干光产生
   • 光源（如激光）发出单色性好、方向性强的光波，通过分光镜分为两束或多束相干光。
2. 光程差引入
   • 两束光分别经不同路径传播（如反射、折射或直接通过），引入光程差（ΔL）。
3. 干涉叠加
   • 当两束光重新汇合时，若光程差满足干涉条件：
     • 相长干涉：ΔL=nλ（n为整数），光强增强。
     • 相消干涉：ΔL=(n+21​)λ，光强减弱。
4. 条纹分析
   • 干涉条纹的移动或变形与光程差变化直接相关，通过检测条纹变化可反推被测量（如位移、折射率等）。

四、组成

干涉仪的典型结构包括以下核心部件：

1. 光源
   • 激光器（如He-Ne激光、半导体激光）：提供单色性好、相干性强的光束。
   • 白光光源：用于低相干干涉（如OCT成像）。
2. 分光系统
   • 分光镜（Beam Splitter）：将入射光分为两束相干光（如立方体分光镜或平板分光镜）。
   • 偏振分光镜：用于偏振干涉仪，分离不同偏振态的光。
3. 参考臂与测量臂
   • 参考臂：光路固定，作为干涉对比基准（如反射镜固定在精密导轨上）。
   • 测量臂：光路经过被测物体（如反射镜安装在待测位移平台上）。
4. 光路调整元件
   • 反射镜：改变光路方向（如平面镜、角锥棱镜）。
   • 补偿板：平衡两束光的光程差（如Michelson干涉仪中的补偿玻璃）。
5. 探测器
   • 光电二极管：检测干涉条纹的光强变化。
   • CCD/CMOS相机：记录干涉图样（如表面形貌分析）。
6. 数据处理系统
   • 相位计：分析干涉条纹的相位变化（如位移测量）。
   • 计算机：处理干涉图样，重建三维形貌或计算物理量。

五、典型干涉仪类型

1. Michelson干涉仪
   • 结构：分光镜将光分为两束，分别经参考镜和测量镜反射后干涉。
   • 应用：长度测量、引力波探测（LIGO核心结构）。
2. Fizeau干涉仪
   • 结构：参考面与测量面部分重叠，形成等厚干涉条纹。
   • 应用：光学元件表面形貌检测。
3. Fabry-Perot干涉仪
   • 结构：两平行反射镜形成谐振腔，多光束干涉。
   • 应用：高分辨率光谱分析、激光频率稳定。
4. Twyman-Green干涉仪
   • 结构：Michelson干涉仪的扩展，用于检测透镜像差。
   • 应用：光学系统质量评估。

六、技术优势

• 超高精度：可实现纳米级甚至亚原子级测量（如LIGO探测10−18米形变）。
• 非接触测量：避免对被测物体的机械干扰（如表面形貌分析）。
• 动态响应快：适用于高速振动或瞬态现象检测（如MEMS器件振动分析）。

七、应用领域

• 制造业：精密加工、半导体制造、光学元件检测。
• 科研：引力波探测、量子光学、材料科学。
• 医疗：眼科成像（OCT）、皮肤组织分析。
• 航空航天：卫星姿态控制、光学系统校准。

干涉仪作为光学测量的“黄金标准”，其核心价值在于将光波的微观特性转化为宏观可测的物理量，为现代科技提供了不可替代的精密测量手段。