干涉原理回顧？

依據(jù)疊加原理，波的匯合結(jié)果具有能夠反映波原始狀態(tài)的性質(zhì)。干涉測(cè)量術(shù)正是基于這一點(diǎn)。當(dāng)兩束頻率相同的光疊加時(shí)，它們產(chǎn)生的條紋取決于它們的相位差：相位相同時(shí)會(huì)產(chǎn)生增強(qiáng)條紋，相反則會(huì)產(chǎn)生減弱條紋。

處于兩種情況之間則會(huì)產(chǎn)生中間強(qiáng)度的條紋。這些條紋可以用來(lái)分析這兩束波的相對(duì)相位關(guān)系。絕大多數(shù)的干涉儀利用的是可見(jiàn)光等電磁波。

單束入射的相干光，在干涉儀中會(huì)經(jīng)過(guò)分光鏡分為兩束。這兩束光在到達(dá)探測(cè)器重新匯聚前會(huì)各自經(jīng)過(guò)不同的路徑，這個(gè)路徑常稱(chēng)之為光路。光路的不同會(huì)導(dǎo)致它們相位產(chǎn)生差異。

干涉條紋正是產(chǎn)生于由此引入的相位差。如果單束光被分為兩路，這兩路光的相位差就可以表征任何可能影響它們光程的因素。這些因素包括路徑長(zhǎng)度的改變或是路徑上折射率的變化。

（邁克耳孫干涉儀中圖紋的形成）

上圖中，當(dāng)觀察者透過(guò)分光鏡觀察反射鏡M1時(shí)，可以看到反射鏡M2的像M2'。所產(chǎn)生的圖紋可以解釋為光源S的兩個(gè)虛像S1'和S2'所發(fā)出的光而產(chǎn)生的干涉紋。干涉紋的特征取決于光源的性質(zhì)以及反射鏡與分光鏡的具體朝向。在圖a中，光學(xué)元件的朝向使得S1'與S2'在觀察者眼前排成一線，所產(chǎn)生的干涉紋則為圓心位于M1和M2'法線上的一組同心圓。

而當(dāng)M1和M2'之間如在圖b那樣存在一定傾角時(shí)，干涉紋則會(huì)變?yōu)殡p曲線形，而在 M1和M2'重疊時(shí)，軸向附近的圖紋會(huì)變?yōu)楸舜似叫小⒕鶆蚍植嫉闹本€。

而當(dāng)S不是圖中的點(diǎn)光源，而是具有一定空間外延的光源時(shí)，圖a中的圖紋則需要在無(wú)限遠(yuǎn)處才能觀察到，而圖b中的圖紋則位于反射鏡上。

干涉測(cè)量術(shù)的分類(lèi)

零差檢測(cè)與外差檢測(cè)。

零差檢測(cè)使用的是波長(zhǎng)相同的兩束波。它們的相位差會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)儀上光強(qiáng)的變化。這種檢測(cè)涉及兩束光匯合后光強(qiáng)的測(cè)量以及干涉紋樣式的記錄。外差檢測(cè)用于改變輸入信號(hào)的頻率范圍或增強(qiáng)輸入信號(hào)（通常會(huì)用到主動(dòng)混流器）。頻率為f1的較弱的輸入信號(hào)會(huì)和頻率為f2的產(chǎn)生自本地振蕩器的較強(qiáng)的參考信號(hào)混合在一起。

這種非線性的混合會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)新信號(hào)，一束的頻率為兩束輸入信號(hào)頻率之和f1 + f2，另一束的頻率則為兩束輸入信號(hào)的頻率差f1 ? f2。這些新頻率稱(chēng)作外差。通常檢測(cè)只會(huì)用到其中一種頻率，另一束則會(huì)自混流器輸出時(shí)被過(guò)濾掉。輸出信號(hào)的強(qiáng)度與輸入信號(hào)的振幅之積成比例。

外差技術(shù)最為廣泛而重要的應(yīng)用，是美國(guó)工程師埃德溫·霍華德·阿姆斯特朗于1918年發(fā)明的超外差收音機(jī)。在這種收音機(jī)的電路中，由天線接收到的射頻信號(hào)會(huì)與本地振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)混流，然后通過(guò)外差技術(shù)轉(zhuǎn)換為較低的中頻信號(hào)。之后這個(gè)中頻信號(hào)會(huì)經(jīng)放大以及濾波，由檢波器從中提取出音頻信號(hào)輸送到揚(yáng)聲器。光學(xué)外差檢測(cè)是外差技術(shù)向可見(jiàn)光頻段的延伸。

??????????????雙光路與共光路

在雙光路干涉儀中，參考光束與待檢光束沿各自的光路傳播。邁克耳孫干涉儀、特懷曼-格林干涉儀、馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x皆屬此類(lèi)。待檢光束與樣品相互作用后，再和參考光束重新匯合產(chǎn)生用以分析的干涉圖紋。

共用光路干涉儀中則是參考光束與樣本光束在共同的光路傳播。下圖為我們展示了薩奈克干涉儀、光纖陀螺儀、點(diǎn)衍射干涉儀以及橫向剪切干涉儀這四種共光路干涉儀。這類(lèi)干涉儀還有澤尼克相襯顯微鏡、菲涅耳雙棱鏡、零面積薩奈克干涉儀及散射板這幾類(lèi)。

（四種共用光路干涉儀）

波前分割與波幅分割

波前分割干涉儀會(huì)在一個(gè)點(diǎn)或一條狹縫分割波前（可以理解為將一束光分割為兩束空間相干光），之后讓波前的這兩個(gè)部分分別經(jīng)不同光路傳播之后再匯合。

下圖展示了楊氏干涉和勞埃德鏡這兩種波前分割機(jī)制。波前分割還有菲涅爾雙棱鏡、比耶（Billet）雙透鏡以及瑞利干涉儀這幾種機(jī)制。

（兩種波前分割機(jī)制）

1803年進(jìn)行的楊氏干涉實(shí)驗(yàn)在光的波動(dòng)理論為公眾接受的過(guò)程中舉足輕重。如果實(shí)驗(yàn)中使用的是白光的話，干涉結(jié)果中心會(huì)是由相長(zhǎng)干涉（由于兩束干涉光的光路相同）造成的白色光帶，兩側(cè)則是亮度逐漸降低的對(duì)稱(chēng)彩色光帶。除了連續(xù)的電磁輻射外，單光子以及電子間也會(huì)發(fā)生楊氏干涉。電子顯微鏡能夠觀測(cè)到的巴基球同樣也能楊氏干涉。

勞埃德鏡中則是由光源與光源的掠射像發(fā)出的光（分別是上圖中的藍(lán)線與紅線）發(fā)生干涉。所產(chǎn)生的干涉紋并不對(duì)稱(chēng)。離反射鏡最近的由同光路產(chǎn)生的光帶卻并不是亮的而是暗光帶。

漢弗萊·勞埃德在1834年通過(guò)這個(gè)效應(yīng)證明了前表面反射光束的相位發(fā)生反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。波幅分割干涉儀則利用部分反射鏡通過(guò)分割待測(cè)光波波幅將其分為幾束，然后在重新匯聚。

下圖展示了斐索干涉儀、 馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x以及法布里－佩羅干涉儀。波幅分割干涉儀還有邁克耳孫干涉儀、特懷曼-格林干涉儀、激光不等光程干涉儀以及林尼克干涉儀幾種。

（三種波幅分割干涉儀）

干涉測(cè)量術(shù)的應(yīng)用

在光纖干涉測(cè)量中，可見(jiàn)光的干涉測(cè)量是干涉測(cè)量術(shù)中最先發(fā)展同時(shí)也得到最廣泛應(yīng)用的類(lèi)別，早期的實(shí)際應(yīng)用如邁克耳孫測(cè)星干涉儀對(duì)恒星角直徑的測(cè)量，但如何獲取穩(wěn)定的相干光源始終是限制光學(xué)測(cè)量發(fā)展的重要原因之一。直至二十世紀(jì)六十年代，光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，這要?dú)w功于激光這一高強(qiáng)度相干光源的發(fā)明，計(jì)算機(jī)等數(shù)字集成電路獲取并處理干涉儀所得數(shù)據(jù)的能力大大提升，以及單模光纖的應(yīng)用增長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)中的有效光程并仍能保持很低的噪聲。電子技術(shù)的發(fā)展使人們不必再去觀察干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋，而可以對(duì)相干光的相位差直接進(jìn)行測(cè)量。這里列舉了光學(xué)干涉測(cè)量在多個(gè)方面的一些重要應(yīng)用。

射電干涉測(cè)量中，望遠(yuǎn)鏡的角分辨率正比于波長(zhǎng)除以口徑，而由于無(wú)線電波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)長(zhǎng)于可見(jiàn)光，這造成單個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡無(wú)法達(dá)到觀測(cè)一般的射電源所需的分辨率（例如采用波長(zhǎng)為2.8厘米的無(wú)線電波進(jìn)行分辨率為1毫角秒的觀測(cè)，需要達(dá)6000千米的望遠(yuǎn)鏡口徑）。

基于這個(gè)原因，英國(guó)天文學(xué)家馬丁?賴(lài)爾爵士等人于1946年發(fā)明了射電干涉技術(shù)，他們用一架兩根天線組成的射電干涉儀對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行了觀測(cè)。射電干涉技術(shù)采用多個(gè)分立的射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成陣列，這些望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)時(shí)都對(duì)準(zhǔn)同一射電發(fā)射源，各自觀測(cè)所得的信號(hào)彼此用同軸電纜、波導(dǎo)或光纖連接后發(fā)生干涉。這種干涉不僅僅是提升了觀測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，而且由于望遠(yuǎn)鏡彼此間的基線距離很長(zhǎng)，從而提升了觀測(cè)的有效口徑。由于各個(gè)望遠(yuǎn)鏡的位置不同，同一波前到達(dá)各個(gè)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間因而會(huì)存在延遲，這就需要對(duì)先到達(dá)的信號(hào)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)难舆t以保持信號(hào)彼此之間的時(shí)間相干性。

此外，構(gòu)成干涉的望遠(yuǎn)鏡數(shù)量越多越好，這是由于觀測(cè)射電源表面的光強(qiáng)分布時(shí)，兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成的干涉只能觀測(cè)到光強(qiáng)分布的傅立葉變換（即可見(jiàn)度）的各個(gè)空間頻率（這里空間頻率的含義是描述光強(qiáng)在不同方向上變化快慢的傅立葉頻率）中的一個(gè)頻率；而采用多個(gè)望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成陣列，則可以在多個(gè)空間頻率上對(duì)射電源進(jìn)行觀測(cè)，再對(duì)觀測(cè)所得的可見(jiàn)度函數(shù)進(jìn)行逆傅立葉變換得到射電源的光強(qiáng)分布，這種方法叫做合成孔徑。例如，位于新墨西哥州的甚大天線陣（VLA）由27架射電望遠(yuǎn)鏡組成，每架望遠(yuǎn)鏡由直徑為25米的拋物面天線構(gòu)成，彼此共形成351條彼此獨(dú)立的干涉基線，最長(zhǎng)的等效基線可達(dá)36千米

審核編輯：劉清