迈克耳孙干涉仪

迈克耳孙干浸仪， 这种测量仪器主要通过迈克尔逊-莫雷实验而声名狼藉，通过该实验，所谓的光以太将作为光传播的介质进行检查。 迈克耳孙干浸仪利用了干涉现象，只有相干光才能观察到。 通常，干涉实验使用特殊光源，通常是激光。 在实验中，然后可以用分束器将它分开，最后使其与自身发生干涉。 迈克耳孙干浸仪的特别之处在于，光束分离器和光束重聚的部分透明镜是相同的。

叠加波的路径差必须小于相干长度。 因此，对于具有色散的介质和具有宽光谱的光源，在干涉仪臂中内置了校正板。 校正板由与分束器相同的材料制成，具有相同的厚度，但完全透光。 它位于分束器的分离侧，并以补偿两个部分光束之间的路径差的方式连接。

干涉仪将光波分成两部分。 这两个波然后穿过不同长度的延伸，其持续时间不同。 两个波之间存在相移。 当它们相遇时，就会发生干扰。

在迈克耳孙干浸仪中，光波通过半透明镜面进行分离。 从光源发出的光部分透过半透光镜（分光镜）（红色标记），但部分被 90 度反射（蓝色标记）。 透射光和反射光各自遇到一个（完全反射）镜子，然后被反射回半透明镜子。 同样，一些被反射，一些被传输。 这两个波（标记为黄色）然后叠加在半透明镜子后面，并发生干涉。

如果改变两个波之一的光程长度，例如 B. 通过移动两个反射镜之一，或通过改变两个干涉仪臂之一中介质的折射率，两个波的相位相互偏移。 如果它们现在同相，它们的振幅就会加起来（有人说相长干涉），但如果它们异相，它们就会相互抵消（相消干涉）。 通过测量产生的波的强度，甚至可以测量两个波之间路径差的最小变化。

从光源发出平行光束（平面波）。 这是通过透镜装置“扩展”，然后发散（分开）一个新的假想原点 G（球面波），它位于透镜装置的区域中。

该发散光束被分束器分成两个发散光束。 两束光线分别被一面镜子（取决于结构）反射，再次聚集在一起并投射到屏幕上。 干涉图案的产生是因为“分束器-反射镜1-分束屏”(l1)和“分束器-反射镜2-分束屏”(l2)的直距长度不同。 从假想的原点 G 到分束器，距离是常数 (g)。 如果两束光线中的两条光线同时射到同一个地方（距干涉环中心的距离为d），那么它们就走过了不同长度的路径w。确切的路径可以使用以下公式确定

w = d 2 + ( g + l ) 2

计算。

在距干涉条纹中心相同的距离 d 处，路径 w1 和 w2 的长度不同。 如果d线性增加，则w1和w2以不同的速率增加。如果观察平面波，则在相长干涉的情况下屏幕上出现亮点，而在相消干涉的情况下则保持黑暗。 干涉条纹是高斯射线的结果，高斯射线是给定长度的球面波。

因此，干涉仪适用于测量两个部分光束之间路径长度差的缓慢变化，例如其中一个不透明反射镜的位置变化，可实现的分辨率约为所用光波长的一半。 在可见激光的情况下，波长为几百纳米。

要测量，移动两个不透明镜子之一并计算干涉最小值（或r 也是 -maxima)，它们在运动过程中被遍历。 然后每个最小值对应于一个波长的路径长度的变化，即反射镜位置的变化半个波长。 无法测量xxx路径长度或它们的xxx差，也无法测量运动方向。 可测量变化的速度受最小值可达到的计数率的限制。

当镜子运动的方向改变时，问题是在正弦波的末端（干涉图样最亮和最暗的部分），不知道镜子的运动是继续同向运动还是反向运动，因为两者都会产生相同的波形。 因此，在这种情况下，必须将第二个传感器放置在不同的点，以使两个信号绝不会同时处于极值点。

迈克耳孙干浸仪器的距离测量的特点是（取决于激光的波长）高分辨率和线性度。

今天的引力波探测器代表了迈克耳孙干浸仪器的最复杂变体，用于使用可移动安装的反射镜测量路径长度。

今天的许多迈克耳孙干浸仪器都被设计成外差干涉仪。 干涉仪的两个臂使用的频率略有不同。 重新组合的光束导致检测器中的跳动。 同时，两种频率的部分光在参考检测器中叠加，即未在反射镜处反射。 实际测量结果是检测器拍频与参考检测器拍频之间的相位差的测量值。 由于与零差干涉仪的干涉信号插值相比，相角测量的精度要高得多，因此外差迈克耳孙干浸仪器已经实现了 10 pm 的分辨率。 此外，上面提到的极值点方向反转的问题不适用，因为通过适当的设计，节拍的相位位置在更长的距离上增加，并且可以通过信号臂和信号臂之间的相位差清楚地确定参考检测器。

基于塞曼效应的激光器或声光调制器通常用于产生这两个波长。

如果使用宽带红外光源，让光束通过检测器前装有待测物质的测量比色杯，就可以得到它的光谱。 为了贯穿要测量的频带，必须随时间改变一个反射镜 x 的位置，例如使用压电元件，以便产生不同的路径差，从而产生不同波长的共振和消光情况。 干涉图从空间 I(x) 或时域 I(t) 到频域 I ( ν ) 的傅里叶变换提供了物质的光谱。

为了确定气体的折射率，将一个充满相应气体的比色杯放置在部分光束中，其路径长度先前已经改变（镜子现在保持固定）。 通过连接到该比色皿的泵，可以改变气体压力，从而改变光线穿透的气体分子数量。 描述压力和折射率之间的线性关系为

n ( p ) = n ( 0 ) + Δ n Δ p p

并使用增加折射率

Δ n Δ p = Δ N Δ p λ 2 s

可以表示，这导致（n = 1 at p = 0）：

n ( p ) = 1 + Δ N Δ p λ 2 s p

这里 N 表示干涉图中强度xxx值的数量，p 表示气体压力，λ表示所用激光的波长，s 表示比色皿的几何路径长度。

如果两束光线的光程差小于光源的相干长度，则它们仍然是相干的。 如果半透板和反射镜之间的距离相等，则到达探测器的光线的相位差为 0。如果两个反射镜之一移动距离 d ，则两者之间会产生路径差 Δ两束光 w = 2 d ，发光强度发生变化。

如果现在确定位移距离 Δ d 的干涉xxx值 z 的数量，那么波长 λ 可以很容易地计算出来，因为以下总是适用：

Δ d = λ 2 z 。