邁克爾遜干涉儀思考題222

邁克爾遜干涉儀思考題還有哪幾種干涉儀？1、斐索干涉儀斐索干涉儀原理為等厚干涉，用以檢測(cè)光學(xué)元件的面形、光學(xué)鏡頭的波面像差以及光學(xué)材料均勻性等的一種精密儀器。其測(cè)量精度一般為/10～/100,為檢測(cè)用光源的平均波長(zhǎng)。常用的波面干涉儀為泰曼干涉儀和斐索干涉儀。斐索干涉儀有平面的和球面的兩種，前者由分束器、準(zhǔn)直物鏡和標(biāo)準(zhǔn)平面所組成，后者由分束器、有限共軛距物鏡和標(biāo)準(zhǔn)球面所組成。單色光束在標(biāo)準(zhǔn)平面或標(biāo)準(zhǔn)球面上，部分反射為參考光束；部分透射并通過(guò)被測(cè)件的，為檢測(cè)光束。檢測(cè)光束自準(zhǔn)返回，與參考光束重合，形成等厚干涉條紋。用斐索平面干涉儀可以檢測(cè)平板或棱鏡的表面面形及其均勻性。用斐索球面干涉儀可以檢測(cè)球面面形和其曲率半徑，后者的測(cè)量精度約1微米；也可以檢測(cè)無(wú)限、有限共軛距鏡頭的波面像差。斐索光纖干涉儀如圖所示。光源發(fā)出的激光束經(jīng)偏振片P1、3dB分路器及傳輸光纖耦合進(jìn)自聚焦透鏡GL，由GL出射的光束照到被測(cè)物體的表面，自聚焦透鏡GL的入射端面M1于被測(cè)物體的表面M2構(gòu)成斐索干涉腔，M1和M2的反射光束相干，相干光經(jīng)3dB分路器分束通過(guò)偏振片P2后由光電探測(cè)器接收。偏振片P1與P2正交放置，以消除自聚焦透鏡GL入射端面回射光的干擾。外界信號(hào)（被測(cè)量）通過(guò)改變斐索腔二反射面M1和M2之間的間距對(duì)光纖中的光相位進(jìn)行調(diào)制。2、激光干涉儀激光干涉儀，以激光波長(zhǎng)為已知長(zhǎng)度，利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測(cè)量位移的通用長(zhǎng)度測(cè)量。激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來(lái)作線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測(cè)量工作，并可作為精密工具機(jī)或測(cè)量?jī)x器的校正工作。單頻激光干涉儀從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來(lái)會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按公式中λ為激光波長(zhǎng)(N為電脈沖總數(shù))，算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周?chē)髿馓幱诜€(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)果。雙頻激光干涉儀在氦氖激光器上，加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場(chǎng)。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng),激光器產(chǎn)生1和2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光,再經(jīng)分光鏡分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí),含有f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率,正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來(lái)僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片2后會(huì)合成為f1-(f2±Δf）的測(cè)量光束。測(cè)量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號(hào)。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算（乘1/2激光波長(zhǎng)）后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來(lái)測(cè)量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)。它常用于檢定測(cè)長(zhǎng)機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、光刻機(jī)和加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測(cè)長(zhǎng)機(jī)、高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等的測(cè)量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件，還可進(jìn)行高精度直線度測(cè)量、平面度測(cè)量和小角度測(cè)量。3、瑞利干涉儀1896年瑞利為了測(cè)量惰性氣體氬和氦的折射率，利用楊氏雙縫干涉原理設(shè)計(jì)制作了一種專(zhuān)用干涉儀，稱(chēng)為瑞利干涉儀。瑞利干涉儀是一種利用雙光束干涉原理的高精度測(cè)量?jī)x器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，其光學(xué)原理如圖。l樣品池及p1、p2補(bǔ)償器的高度僅占整個(gè)空間的上半部分，補(bǔ)償器p1沿垂直軸有一個(gè)固定夾角，補(bǔ)償器p2可借助轉(zhuǎn)鼓測(cè)微器F轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變夾角，L2是會(huì)聚透鏡，L3為柱面鏡，在觀察管中看到上下兩列干涉條紋，一列由光縫的下半部分兩束光干涉形成，因?yàn)橄掳氩糠值墓獬滩畈蛔儯蚀烁缮鏃l紋是固定的；從光縫上半部分通過(guò)的兩束光，分別經(jīng)樣品池后產(chǎn)生上半部干涉條紋。當(dāng)樣品池內(nèi)不發(fā)生光程差(光程差起源于兩室中的化學(xué)成分、溫度、壓力等)，另p1、p2也不附加光程差時(shí)，才和下半部干涉條紋對(duì)齊，否則相對(duì)下半部干涉條紋便有移動(dòng)，這樣在干涉儀中下半部干涉條紋就是上半部干涉條紋的固定標(biāo)記。當(dāng)兩樣品池中裝有不同介質(zhì)時(shí)，其折射率分別為n1,n2由于折射率的不同，引起的光程差為：△=(n2一n1)l=Kλ,式中λ為光源波長(zhǎng)，K是對(duì)應(yīng)光程差的干涉級(jí)，l為樣品池的長(zhǎng)度。4、法布里－珀羅干涉儀法布里－珀羅干涉儀是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀，本質(zhì)和上節(jié)所述的平行平面板的干涉原理相同。其中兩塊玻璃板的內(nèi)表面都有相當(dāng)高的反射率，以確保得到細(xì)度足夠高的干涉條紋。由于平行平面板只對(duì)特定波長(zhǎng)的光有透射極大值，法布里－珀羅干涉儀能夠?qū)︻l率滿足其共振條件的光進(jìn)行透射或反射，并且能達(dá)到非常高的透射率和反射率，它因此也被稱(chēng)作法布里－珀羅諧振腔或法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。法布里－珀羅干涉儀被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信、激光、光譜學(xué)等領(lǐng)域，它主要用于精確測(cè)量和控制光的頻率和波長(zhǎng)。例如，在光學(xué)波長(zhǎng)計(jì)中就使用了數(shù)臺(tái)法布里－珀羅干涉儀的組合，它們的共振頻率彼此都相差10倍，待測(cè)入射光在這些干涉儀中發(fā)生干涉后，通過(guò)測(cè)量各自產(chǎn)生亮紋的間距即可得知待測(cè)光的波長(zhǎng)。此外，在激光領(lǐng)域法布里－珀羅干涉儀還被用來(lái)抑制譜線的展寬，從而獲得單模激光，而在引力波探測(cè)中法布里－珀羅干涉儀和邁克耳孫干涉儀組合使用，通過(guò)使光子在諧振腔內(nèi)反復(fù)振蕩增加了邁克耳孫干涉儀的干涉臂的有效長(zhǎng)度。如要觀察到法布里－珀羅干涉儀的等傾干涉條紋，要在透射光的傳播方向上垂直放置一透鏡，當(dāng)透鏡光軸垂直于屏?xí)r，等傾干涉的條紋是一組同心圓，圓心對(duì)應(yīng)著正入射透射光的焦點(diǎn)。此時(shí)由于是正入射，，在干涉條件中有最大值：法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的干涉條紋，光源為鎘燈，使用CCD成像一般情況下不是整數(shù)，如將其整數(shù)部分設(shè)為，小數(shù)部分設(shè)為，即，則從中心亮紋數(shù)起，外圈第個(gè)亮紋的角半徑為從而圓條紋的直徑滿足其中是透鏡焦距。法布里－珀羅干涉儀的三個(gè)重要特征參量是細(xì)度（自由光譜范圍和透射峰的半高寬之比）、峰值透射率（透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之比的最大值）、襯比因子（透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比的最大值和最小值之比），但由于反射比越高時(shí)細(xì)度才會(huì)越高，因此透射率和細(xì)度/襯比因子不能同時(shí)都很高。5、泰曼-格林干涉儀泰曼-格林干涉儀應(yīng)用領(lǐng)域：普遍用來(lái)檢驗(yàn)平板，棱鏡和透鏡等光學(xué)元件的質(zhì)量。更為精密的用途為：（1）檢測(cè)室內(nèi)微小振動(dòng)和空氣流動(dòng)（2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)溫度變化（3）檢測(cè)直角棱鏡的綜合質(zhì)量泰曼-格林干涉儀的實(shí)際布置案列：He-Ne激光器（λ=630nm）發(fā)出一束激光，經(jīng)空間濾波器、透鏡L1和分束鏡分成兩束平面波，一束經(jīng)參考鏡M1反射后再經(jīng)反射鏡入射至CCD傳感器；另外一束經(jīng)透鏡L2之后出射至待檢鏡，之后原路返回，再經(jīng)反射鏡入射至CCD傳感器。圖像采集與處理后可在監(jiān)視器上觀察到干涉條紋，而后確定圖像采集有效區(qū)域，并對(duì)此區(qū)域內(nèi)的干涉條紋進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，運(yùn)用相應(yīng)算子卷積運(yùn)算對(duì)干涉條紋進(jìn)行邊緣增強(qiáng)和圖像銳化等處理，最后得到待檢光學(xué)系統(tǒng)的波面信息和各項(xiàng)像差系數(shù)。6、射電干涉儀天文學(xué)家利用波干涉原理，作出射電干涉儀。通常是將兩面同樣大小的天線拉開(kāi)距離排列著，中間用電纜連系。射電干涉技術(shù)使人們能更有效地從噪音中提取有用的信號(hào)；甚長(zhǎng)基線干涉儀通常是相距上千公里的幾臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡作干涉儀方式的觀測(cè)，極大地提高了分辨率，使射電波段的分辨率首次高于光學(xué)，今天射電的分辨率高于其它波段幾千倍，能更清晰地揭示射電天體的內(nèi)核；綜合孔徑技術(shù)的研制成功使射電望遠(yuǎn)鏡具備了方便的成像能力，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)于工作在射電波段的照相機(jī)。雙天線射電干涉儀是最簡(jiǎn)單的也是最基本的一種干涉儀。現(xiàn)今所有各種高分辨率的非連續(xù)孔徑望遠(yuǎn)鏡都是以它為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。雙天線射電干涉儀的基本原理是：一組取向一致的兩個(gè)天線安置在某一方向(例如東西方向)的基線上，接收“點(diǎn)源”（角徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單個(gè)天線的分辨率的源）的單頻信號(hào)。天線用性能相同、長(zhǎng)度相等的傳輸線把各自收到的信號(hào)送到接收機(jī)輸入端,兩個(gè)信號(hào)互相迭加。當(dāng)一個(gè)天體射來(lái)的電磁波與基線的垂線成θ角時(shí),射電波到達(dá)兩天線相差一段路程BC。若程差BC正好是半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍，這兩個(gè)信號(hào)同相，信號(hào)相加；若為奇數(shù)倍則反相，信號(hào)相互抵消。因此,當(dāng)θ因天體的周日運(yùn)動(dòng)而不斷改變時(shí)，接收機(jī)的輸出呈現(xiàn)強(qiáng)弱相間的周期性變化,形成干涉圖形。圖3表示雙天線干涉儀的方向圖形。圖中各方向瓣的包絡(luò)就是單天線方向圖?？梢杂弥行陌甑膶挾葋?lái)表示一具雙天線干涉儀所具有的分辨率。這和連續(xù)孔徑情況一樣，也近似有δθ≈λ/D的形式，然而這里的D是兩臺(tái)天線之間的間距。由于D可以很大,因此干涉儀可以得到比連續(xù)孔徑望遠(yuǎn)鏡窄得多的方向瓣。對(duì)于特定的孤立射電源，方向瓣的寬度就決定了觀測(cè)所能達(dá)到的分辨率。如果在單天線方向圖的范圍內(nèi)不止有一個(gè)源，或源的角徑大于相鄰兩個(gè)方向瓣的角距，則所得的信息將混淆不清。7、剪切干涉儀剪切干涉儀，把通過(guò)被測(cè)件的波面用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)分裂成兩個(gè)，并使兩波面彼此相互錯(cuò)開(kāi)（剪切），在兩波面重疊部分產(chǎn)生干涉圖形的儀器。把通過(guò)被測(cè)件的波面用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)分裂成兩個(gè)，并使兩波面彼此相互錯(cuò)開(kāi)（剪切），在兩波面重疊部分產(chǎn)生干涉圖形的儀器。以常見(jiàn)的橫向剪切干涉儀為例。如圖所示,激光束被聚光鏡1會(huì)聚到空間濾波器2上,濾波器置于被測(cè)物鏡3的焦點(diǎn)上,從物鏡出射的波面通過(guò)一稍有楔角的平板4前后表面的反射，形成兩個(gè)彼此橫向錯(cuò)開(kāi)的波面，在兩波面重疊處形成干涉圖形，通過(guò)判讀條紋可評(píng)價(jià)被測(cè)物鏡的傳遞函數(shù)。除橫向剪切干涉儀外，如使兩波面沿徑向剪切即兩波面尺寸不同形成干涉的稱(chēng)徑向剪切干涉儀；如使兩波面繞中心小量旋轉(zhuǎn)而相互錯(cuò)開(kāi)形成干涉的稱(chēng)旋轉(zhuǎn)剪切干涉儀；如使兩波面反向錯(cuò)開(kāi)形成干涉的稱(chēng)反向剪切干涉儀。剪切干涉儀的優(yōu)點(diǎn)是可省去標(biāo)準(zhǔn)的參考光學(xué)表面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定。其弱點(diǎn)是剪切后形成的干涉圖形判讀比較困難。剪切干涉儀主要用作測(cè)定光學(xué)零件的面型、光學(xué)系統(tǒng)的像差和光學(xué)傳遞函數(shù)、流場(chǎng)的均勻性等。對(duì)激光束的波面測(cè)量而言，剪切干涉儀是唯一可用的干涉形式。8、雅滿干涉儀這種干涉儀是J.雅滿于1856年發(fā)明的。雅滿用他的干涉儀研究了水的折射率隨壓力的變化關(guān)系，并用它來(lái)測(cè)定水蒸氣的折射率。后人多用它來(lái)測(cè)量氣體的折射率。雅滿干涉儀基本上由兩塊折射率和厚度都完全相同的平行平面玻璃板組成，每一塊板都有一個(gè)鍍銀面，其結(jié)構(gòu)如圖所示。自擴(kuò)展光源發(fā)出的一束光,以45°入射角入射在第一塊板M1的前表面上，在這里它被分為兩部分，一部分在M1板的前表面和在第二塊板M2的后表面上反射；另一部分在M1板的前表面上折射后，再依次在M1板的后表面和M2板的前表面上反射。因?yàn)閮墒馐窍喔傻?，它們?cè)陔x開(kāi)M2板的前表面后，會(huì)于望遠(yuǎn)鏡的焦平面上形成干涉條紋。玻璃板M1和M2的厚度一般為2～5厘米，經(jīng)過(guò)它們的兩束光可分得比較開(kāi)。這樣就可在它們之間放置所需的氣體室G1和G2。而氣體室兩端窗口又有光闌的作用，只能使在玻璃板上一次內(nèi)反射的光產(chǎn)生干涉，因此條紋中的光強(qiáng)分布呈嚴(yán)格的余弦二次方形式。亮條紋和暗條紋等寬。使用時(shí)，以其表面與圖面（見(jiàn)圖）的交線為軸將M2板轉(zhuǎn)動(dòng)一很小的角度，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生平行于圖面的干涉條紋，當(dāng)使用白光光源時(shí)在這種位置上還可觀察到白光干涉條紋。將兩氣體室中的一個(gè)逐漸抽空，干涉條紋會(huì)在視場(chǎng)中移動(dòng)。設(shè)氣體室的長(zhǎng)度為l，折射率的改變?yōu)棣膎，則式中k是視場(chǎng)中移過(guò)叉絲的干涉條紋的數(shù)目，λ是光波波長(zhǎng)。用這種方法就可測(cè)量出折射率的變化或氣體的折射率，而且精度較高。9、馬赫－秦特干涉儀馬赫－秦特干涉儀是雅滿干涉儀的發(fā)展。在雅滿干涉儀中，兩塊玻璃板的前表面起著分光板的作用，而后表面則為平面反射鏡，分光板和反射鏡不能單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且兩束光的間隔為玻璃板厚度所限定。為克服這些局限性，L.馬赫和L.秦特使用了四塊玻璃板。雅滿干涉儀的發(fā)展。在雅滿干涉儀中，兩塊玻璃板的前表面起著分光板的作用，而后表面則為平面反射鏡，分光板和反射鏡不能單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且兩束光的間隔為玻璃板厚度所限定。為克服這些局限性，L.馬赫和L.秦特使用了四塊玻璃板。馬赫－秦特干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖所示。P1、P2是兩塊分別具有半反射面A1和A2的平行平面板,M1、M2是兩塊平面反射鏡,一般是使四個(gè)反射面接近平行，并使它們的中心在一平行四邊形的四個(gè)頂點(diǎn)上。單色點(diǎn)光源S位于準(zhǔn)直鏡L1的焦平面上，從S發(fā)出的光經(jīng)L1準(zhǔn)直后，在半反射面A1上分為兩束光,一束光經(jīng)M1和A2反射而達(dá)投射物鏡L2,另一束光則經(jīng)M2反射并透過(guò)A2后也達(dá)L2。由于兩束光是相干的,在L2的焦平面上會(huì)產(chǎn)生干涉。將干涉儀的一塊分光板稍作傾斜，在視場(chǎng)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)為數(shù)不多的幾條平行等距直條紋。