共光路干涉儀

干涉儀是很廣泛的一類實驗技術的總稱， 其思想在於利用波的疊加性來獲取波的相位信息， 從而獲得實驗所關心的物理量。干涉儀並不僅僅局限於光干涉儀。

共光路干涉儀是一類干涉儀，其參考光束和樣品光束沿著相同的路徑傳播。實例包括Sagnac干涉儀，Zernike相位干涉儀和點衍射干涉儀。共光路干涉儀通常比“麥可遜干涉儀或馬赫 - 策德爾干涉儀”這樣的“雙路干涉儀”更能抵抗環境振動的干擾

基本介紹

• 中文名：共光路干涉儀
• 外文名：Common-path interferometer
• 領域：光學
• 性質：干涉儀
• 實例：Sagnac干涉儀、散射板干涉儀
• 套用：長度、折射率、波長的測量

簡介

共光路干涉儀是一類干涉儀，其參考光束和樣品光束沿著相同的路徑傳播。實例包括Sagnac干涉儀，Zernike相位干涉儀和點衍射干涉儀。共光路干涉儀通常比“麥可遜干涉儀或馬赫 - 策德爾干涉儀”這樣的“雙路干涉儀”更能抵抗環境振動的干擾。雖然沿著相同的路逕行進，參考和樣品光束可以沿著相反的方向行進，或者它們可以沿相同方向行進，但是具有相同或不同的極化。

雙路干涉儀對參考和樣品臂之間的相移或長度變化非常敏感。因此，共光路干涉儀已被廣泛套用於科學和工業測量小位移，折射率變化，表面不規則等。然而，有一些套用，其中對參考和樣品路徑之間相對位移或折射率差異的敏感性是不希望的；或者，可能對某些其他屬性的測量感興趣。

散射板干涉儀

散射板干涉儀是一種共光路干涉儀，曾被成功地用來檢驗過直徑近1m的F/4物鏡，有重要的實用價值。伯奇(J.M.Burch)於1953年發現散射板干涉現象並製成了最初的散射板干涉儀。散射板干涉的機制，一般都用光程差分析來說明，其條件是要求兩塊散射板的二維散射性能分布完全一致而且在光路裝配 和校正後滿足嚴格的點對點一一對應的物像共軛關係。加工與裝校的困難使這種精度達到微米量級的共軛 關係不可能得到滿足，儘管如此，實際上並不會影響散射板干涉儀干涉條紋的生成。散射板干涉儀在使用時 還可以將一塊散射板相對另一塊散射板平移，完全破壞了其共軛關係，但它還是能夠產生平行直條紋，這些 都是光程差分析不能解釋的。1969年斯科特(R.M.Scott)提出了一種傅立葉分量分析方法，只完成了不 很完善的半定量分析。其後，很多研究者不斷進行研究，直到1997年Rasanen等人用標量衍射理論對散射 板干涉儀進行了數字模擬，將散射板看成是一半像素為0相位一半像素是π/2相位的隨機相位板，其結果也 沒有能夠解決共軛關係要求過高的矛盾。2007年陳家璧從傅立葉光學與統計光學原理出發，對散射板乾 涉儀的基本光路進行了嚴格分析。用傅立葉光學證明先散射後透射與先透射後散射兩條光路在被測鏡無像 差時傳播光的等價性，給出存在波像差時先散射後透射與先透射後散射兩條光路傳播光場的變化。而後用統 計光學的方法導出了在散斑條件下干涉條紋產生的機理，建立了干涉條紋與被檢驗物鏡的波像差之間的關 系，干涉條紋對比度與兩散射板透射率相關性之間的關係，給出了散射板干涉儀在使用時可以將一塊散射板 相對另一塊散射板平移，產生平行直條紋的原因，從而完成了散射板干涉儀干涉原理的基本分析。

Sagnac干涉儀

Sagnac干涉儀完全不適合測量長度或長度變化。在Sagnac干涉儀中，從分束器出射的兩個光束同時沿著相反方向的矩形四邊形繞過，並在原始分光器處重新組合。結果是，Sagnac干涉儀首先對其光學部件的任何移動完全不敏感。實際上，為了使Sagnac干涉儀可用於測量相位變化，干涉儀的光束必須稍微分開，使得它們不再遵循完全共同的路徑。即使有輕微的光束分離，Sagnac干涉儀也提供優異的對比度和邊緣穩定性。[2] Sagnac干涉儀的兩個基本拓撲是可能的，每個路徑中是否存在偶數或奇數次的反射。在具有奇數個反射的Sagnac干涉儀中，例如所示的那樣，相對行進的光束的波前在大部分光路上相對於彼此橫向反轉，因此拓撲不是嚴格的共同路徑。

Sagnac干涉儀的最好的使用在於它對旋轉的靈感性。旋轉對這種形式的干涉儀的影響的第一個敘述在1913年由喬治·薩尼亞克（Georges Sagnac）發表，他錯誤地認為，他發現“旋轉乙醚”的能力反駁了相對論。目前的Sagnac干涉儀的靈敏度遠遠超過了Sagnac的原始安排。旋轉的靈敏度與反向旋轉光束的面積成正比，並且Sagnac干涉儀的當今後代的光纖陀螺儀使用數千個光纖環而不是鏡子，使得即使是小到中等單位容易檢測到地球的旋轉。環形雷射陀螺儀（未示出）是在慣性導航系統中具有重要套用的Sagnac旋轉感測器的另一種形式。

由於其特殊的對比度和邊緣穩定性，使用Sagnac配置的干涉儀在導致愛因斯坦發現狹義相對性的實驗中發揮了重要作用，並在隨後的防禦理論和實驗挑戰的相對性方面起了重要作用。例如，在1887年的著名實驗一年之前，麥可森和莫利（1886年）重演了1851年的Fizeau實驗，用一個如此高穩定性的均勻反射的Sagnac干涉儀替代了Fizeau的設定，即使將一個點亮的比賽光路不會造成人為的邊緣位移。1935年，古斯塔夫·威廉·哈馬爾（Gustaf Wilhelm Hammar）駁斥了狹義相對論的一個理論挑戰，試圖將麥可遜 - 莫利型實驗的無效結果解釋為使用奇異反射Sagnac干涉儀的以色列拖延的神器。他可以在開放的高山頂操作這個干涉儀，沒有溫度控制，但仍然可以讀取1/10的邊緣精度。

套用

長度測量

在雙光束干涉儀中，若介質折射率均勻且保持恆定，則干涉條紋的移動是由兩相干光幾何路程之差發生變化所造成，根據條紋的移動數可進行長度的精確比較或絕對測量。邁克耳孫干涉儀和法布里-珀羅干涉儀曾被用來以鎘紅譜線的波長表示國際米。

折射率測定

兩光束的幾何路程保持不變，介質折射率變化也可導致光程差的改變，從而引起條紋移動。瑞利干涉儀就是通過條紋移動來對摺射率進行相對測量的典型干涉儀。套用於風洞的馬赫-秦特干涉儀被用來對氣流折射率的變化進行實時觀察。

波長的測量

任何一個以波長為單位測量標準米尺的方法也就是以標準米尺為單位來測量波長的方法。以國際米為標準，利用干涉儀可精確測定光波波長。法布里-珀羅干涉儀（標準具）曾被用來確定波長的初級標準（鎘紅譜線波長）和幾個次級波長標準，從而通過比較法確定其他光譜線的波長。

檢驗光學元件

泰曼干涉儀被普遍用來檢驗平板、稜鏡和透鏡等光學元件的質量。在泰曼干涉儀的一個光路中放置待檢查的平板或稜鏡，平板或稜鏡的折射率或幾何尺寸的任何不均勻性必將反映到干涉圖樣上。若在光路中放置透鏡，可根據干涉圖樣了解由透鏡造成的波面畸變，從而評估透鏡的波像差。

引力波測量

干涉儀也可以用於引力波探測(Saulson, 1994)。 雷射干涉儀引力波探測器的概念是前蘇聯科學家Gertsenshtein和Pustovoit在1962年提出的（Gertsenshtein和Pustovoit 1962）。 1969年美國科學家Weiss和Forward則分別在1969年即於麻省理工和休斯實驗室建造初步的試驗系統（Weiss 1972）。 截止今日，雷射干涉儀引力波探測器已經發展了40餘年。 目前LIGO雷射干涉儀實驗宣稱首次直接測量到了引力波 (LIGO collaboration 2016)。 LIGO可以認為是兩路光線的干涉儀， 而另外一類引力波探測實驗， 脈衝星測時陣列則可認為是多路光線干涉儀（Hellings 和Downs, 1983）