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干涉仪(interferometers)

定义:
利用干涉效应的光学器件。

干涉仪是利用干涉效应的一种光学装置。一般来说,最初入射光先经过某种分束器(部分透射反射镜)分成单独的两束光,可能有的光束会经过外界环境的影响(例如,长度变化或者经过折射率变化的透明介质),然后在另一个分束器处光束再次符合。得到的光束功率的空间分布就可以用于测量。 

目录

  • 干涉仪的类型 
  • 1.1 马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪
  • 1.2 迈克尔逊干涉仪
  • 1.3 法布里-珀罗干涉仪
  • 1.4 Sagnac干涉仪
  • 1.5 共路干涉仪
  • 1.6 光纤干涉仪
  • 干涉仪的物理原理
  • 应用
  • 噪声影响


干涉仪的类型 
马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪 

 

图1:马赫-曾德尔干涉仪。
马赫-曾德尔是由物理学家Ludwig Mach和Ludwig Zehnder提出的。如图1所示,它采用两个单独的分束器(BS)来分离光束和合束,并且具有两个输出端,将输出光输出至光电探测器。干涉仪的两臂近似相等(如图所示),也可以不同(例如,单独加入一个延迟线)。在两输出端口处的功率分配情况与两臂长差和波长有关。 
如果干涉仪排列整齐,可以调节臂长差(例如,通过细微移动其中一个反射镜),这样在某一光学频率时,总的光功率从一个端口输出。而排列不好的光束(例如,一个反射镜稍稍倾斜),在两个输出端都会有干涉条纹,并且臂长差的变化会影响干涉条纹的形状,然而总功率的分布情况不会有很大的变化。 

迈克尔逊干涉仪 

 

图2:迈克尔逊干涉仪。
迈克尔逊干涉仪是由Albert Abraham Michelson发明的,采用单个分束器来进行分束或者合束。如果两个反射镜放置的严格垂直(见上面的图),可以只得到一个输出,而另一输出端口返回至光源。如果该光学反馈是不需要的(例如在激光器中,会引起不稳定),或者需要第二个输出端口,那么光束可以在分束器另外的位置进行合束。一种可能方案是采用激光反射镜,如下面的图;其另一个优势在于干涉仪中激光反射镜的轻微不对准没有太大影响。或者,也可以采用非垂直入射的简单的反射镜。 
如果臂长差不为0,如图2中,只有在有限带宽内可以实现干涉相消或者相长。迈克尔逊干涉仪最开始在注明的迈克尔逊-莫雷实验中采用的是宽带光源,这样干涉仪的臂长差需要近似为0。 
迈克尔逊干涉仪有很多不同的变化形式。例如,Twywan-Green干涉仪就是采用单色点光源的迈克尔逊干涉仪。它用来表征光学元件。 

法布里-珀罗干涉仪 

   

图3:法布里-珀罗干涉仪。
法布里-珀罗干涉仪(图3)包含两个平行的反射镜,光可以在其中往返多次。(该干涉仪的单片形式可以采用两边都有反射涂层的玻璃片。)当反射镜具有很高反射率时,这一器件具有很锐的共振曲线(高精细度),即只有当光频率接近某一值时才有很高的透射率。基于这些特性,对于距离的测量分辨率要高于对波长的测量。类似的,共振频率测量的也非常准确。 
一个改进的形式为Fizeau干涉仪,其中第二个反射镜是全反射的,并且稍微倾斜。反射光被用来表征光学组分。 
另一种特殊的法布里-珀罗干涉仪可用于色散补偿,称为Gires-Tournois干涉仪。 

Sagnac干涉仪 
Sagnac干涉仪(以法国物理学家Georges Sagnac命名)在环路中有两相向传播的两束光,通过多个反射镜(如图4)或者采用光纤来实现。如果整个干涉仪绕着垂直于平面的轴旋转,会在两束相反方向的光中产生相位差(Sagnac效应)。测量旋转的灵敏度与环路面积成正比,再乘以环路的圈数(如果采用光纤,该数值会很大)。可以达到足以探测地球自转的角速度。 
Sagnac干涉仪通常用在惯性导航系统中。 
共路干涉仪 
有些干涉仪采用同一个光路径但是利用两光束不同的偏振态。其优势在于几何光路上的涨落对干涉仪的输出没有影响,干涉仪可以作为敏感的双折射探测器。 
光纤干涉仪 
以上所有的干涉仪类型都可以采用光纤。光纤干涉仪不采用分束器,而是利用光纤耦合器。 
一个问题就是光在光纤中传播偏振态会发生变化。这通常需要加入一个光纤偏振控制器(有时需要重新调整)或者采用保偏光纤。 
同样需要注意的是光纤中的温度变化(以及弯曲)会影响光学相移。如果不同光学属于不同的干涉臂就会存在问题。然而,也有的光纤干涉仪采用统一光纤作为两个干涉臂,例如,利用相同光纤的两个不同的偏振方向。 

干涉仪的物理原理 
干涉仪采用不同的物理原理。例如,迈克尔逊干涉仪被用在不同的地方,采用不同的光源和光电探测器: 

  • 当采用很小光学带宽的光源时(甚至单频激光器),当臂长差变化时,探测器的信号就会发生周期性的变化。这一信号可以测量灵敏度远小于波长的情况,但是有一些模糊。例如,单纯的增加或者减小臂长差会使探测信号产生相同的变化。这一问题可以通过采用波动反射镜来调节臂长差,并且在探测器上控制产生的调制。采用双波长测量也是消除模糊的一种方法。 
  • 如果探测器是一种摄像机(例如,CCD芯片),并且表面很平滑,可以通过记录具有不同相移(相移干涉仪)的几个图像来重建其相位特性曲线。解相算法可以得到清晰的表面图。但是,这种方法对于粗糙的表面或者表面具有陡变。 
  • 白光干涉仪采用的是宽带光源(例如,超辐射发光二极管),因此只能在零臂长差处很窄范围内观察到干涉条纹。这样就可以消除上面提到的条纹模糊。 
  • 波长调谐激光器可用来产生多个波长进行探测。通过观察到的信号,臂长差可以非常准确的得到。这也可以采用二维的探测器(例如,CCD摄像机)。 
  • 如果有意使其中的一个反射镜倾斜,可以观察到干涉条纹。任意改变臂长差都会使条纹发生移动。这种方法不仅能够很灵敏的测量相位变化,还可以测量相位随位置的变化。 

另一种干涉方法为空间干涉仪。这里利用的是光谱的干涉。光谱调制周期主要由时间延迟决定。 

应用 
干涉仪有很多方面的应用,不仅仅可以用于长度测量。例如: 

  • 测量距离(或者位置的改变,即位移)的精度可以大于一个光学波长(极限情况下,例如探测重力波,灵敏度小于波长几个量级) 
  • 测量激光光束的波长(波长计),或者分析光束的波长组分 
  • 控制光波长或频率的微小变化(通常利用法布里-珀罗干涉仪的透射曲线) 
  • 测量旋转(采用Sagnac干涉仪) 
  • 测量光学表面的平滑度 
  • 测量激光器的线宽(自差线宽测量,鉴频器) 
  • 测量微小折射率变化 
  • 调制激光光束的功率或者相位,例如,在光纤通信系统中加入马赫-曾德尔调制器 
  • 测量光学元件的色散 
  • 作为光学滤波器 
  • 通过光谱干涉仪得到超短脉冲的特性 根据应用的不同,干涉仪对光源的要求也不同。很多情况下,需要光谱很纯的光源,例如,单频激光器。有时,激光器需要是波长调谐的。还有的情况下(例如采用白光干涉仪测量色散),需要很大带宽和平滑光谱的光源。 


噪声影响 
干涉测量中存在激光器噪声,还受到量子噪声的影响。一般来说,分束器入射端口的真空噪声决定了灵敏度的标准量子极限(散粒噪声极限)。低于该极限的噪声水平可以通过注入压缩态光进入干涉仪来实现。