干涉仪的原理(lǐ)与分(fēn)类
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发布时间：2023-06-02 13:45:35
要了解干涉测量法，您需要了解干涉。在日常生活中，干扰只是意味着妨碍或干预，但在物(wù)理(lǐ)學(xué)中，干扰具有(yǒu)更具體(tǐ)的含义。当两个携带能(néng)量的波相遇并重叠时会发生干扰。它们携带的能(néng)量混合在一起，因此，您得到的不是两个波，而是第三波，其形状和大小(xiǎo)取决于原始两波的模式。当波像这样合并时，该过程称為(wèi)叠加。
如果您曾经坐(zuò)在浴缸中挥舞着波浪，那么您会发现运动中的干涉和叠加。如果来回推动您的手，您可(kě)以将能(néng)量波从水的中心传递到浴缸的壁上。当波浪到达墙壁时，它们从硬表面弹回的大小(xiǎo)或多(duō)或少没有(yǒu)改变，但速度相反。每次波浪都会从浴缸中反射出来，就像您在墙上踢了一个橡皮球一样。一旦海浪回到您的手所在的位置，您可(kě)以通过与海浪同步移动来使海浪更大。实际上，您将创建新(xīn)的波形，将其添加到原始波形中并增加其峰值（振幅）的大小(xiǎo)。当波加在一起形成更大的波时，科(kē)學(xué)家称之為(wèi)相長(cháng) 干涉。如果以其他(tā)方式移动手，则可(kě)以创建与原始波浪不同步的波浪。当这些新(xīn)波添加到原始波中时，它们会从它们中减去能(néng)量并使它们变小(xiǎo)。这就是科(kē)學(xué)家所说的破坏性干涉。
两种类型的干扰。相長(cháng)干涉意味着将两个或多(duō)个波组合起来以获得更大的第三波。新(xīn)波具有(yǒu)相同的波長(cháng)和频率，但振幅更大（峰值更高）。破坏性干扰是指波相减并抵消。一波的峰值被另一波的波谷抵消。
一个波与另一个波同步的程度称為(wèi)其相位。如果两个相同的波“同相”，则意味着它们的峰对齐，因此，如果将它们加在一起，我们将得到一个新(xīn)的波，其大小(xiǎo)是原始波的两倍，但在其他(tā)方面却完全相同。同样，如果两个波完全异相（我们称之為(wèi)反相），则一个波的峰值与另一个波的波谷恰好重合，因此将波加在一起不会给您带来任何好处。
在这两个极端之间，还有(yǒu)其他(tā)各种可(kě)能(néng)性，其中一部分(fēn)波动是 与对方同相。像这样添加两个波浪，将产生第三个波浪，其波峰和波谷的形态各不相同。将这样的波浪照射到屏幕上，您会得到一种称為(wèi)干涉条纹的亮暗區(qū)域特征图案。该图案是您使用(yòng)干涉仪研究和测量的图案。
干涉仪是一种非常精确的科(kē)學(xué)仪器，旨在以超乎寻常的精确度测量事物(wù)。
干涉仪的基本原理(lǐ)是将一束光（或其他(tā)类型的電(diàn)磁辐射）用(yòng)所谓的分(fēn)光镜（也称為(wèi)半透明镜或半镜）将其分(fēn)成两半。这只是一块表面涂有(yǒu)很(hěn)薄银的玻璃。如果你向它照射光線(xiàn)，一半的光線(xiàn)直接通过，一半的光線(xiàn)反射回来--所以分(fēn)光镜就像一块普通玻璃和一面镜子之间的交叉。其中一束光（称為(wèi)参考光束）照射到镜子上，然后从那里照射到屏幕、相机或其他(tā)探测器上。另一束光照到或通过您要测量的东西，照到第二面镜子上，再通过分(fēn)光镜，照到同一个屏幕上。这第二道光束与第一道光束有(yǒu)一段额外的距离（或以其他(tā)一些稍微不同的方式），所以它的步幅会稍微偏离（相位偏离）。
一个基本的（迈克尔逊）干涉仪是如何工作的。如果我们把绿色光束作為(wèi)参考光束，我们会让蓝色光束受到某种我们想要测量的变化。干涉仪将两束光结合在一起，屏幕上出现的干扰边缘是它们之间差异的视觉表现。
当两道光束在屏幕上相遇时，它们会发生重叠和干涉，它们之间的相位差就会形成一个亮區(qū)和暗區(qū)的图案（换句话说，就是一组干涉条纹）。亮區(qū)是两个光束相加（建设性）而变得更亮的地方；暗區(qū)是两个光束相减（破坏性）的地方。干扰的确切模式取决于其中一束光束所走过的不同方式或额外距离。
干扰边缘不是落在一个简单的屏幕上，而是通常将其导入相机，以产生一个称為(wèi)干涉图的永久图像。在另一种安排中，干涉图是由一个探测器（如老式数码相机中使用(yòng)的CCD图像传感器）制作的，该探测器将波动的光學(xué)干涉条纹模式转换為(wèi)電(diàn)信号，可(kě)以非常容易地用(yòng)计算机进行分(fēn)析。
干涉仪在19世纪末开始流行，有(yǒu)几种不同的类型，每种都大致基于我们上面概述的原理(lǐ)，并以完善该原理(lǐ)的科(kē)學(xué)家命名。六种常见的类型是Michelson, Fabry-Perot, Fizeau, Mach-Zehnder, Sagnac和Twyman-Green干涉仪。
Michelson干涉仪（以Albert Michelson命名，1853年-1931年），因為(wèi)它在1881年着名的Michelson-Morley实验中发挥的作用(yòng)。当时，Michelson和他(tā)的同事Edward Morley (1838-1923)推翻了一种被称為(wèi) “乙醚 ”的神秘隐形液體(tǐ)的存在，物(wù)理(lǐ)學(xué)家们认為(wèi)这种液體(tǐ)充满了空洞的空间。Michelson-Morley实验是爱因斯坦相对论的重要踏脚石。
Fabry-Perot干涉仪（1897年由1867-1945年的Charles Fabry和1863-1925年的Alfred Perot发明），也被称為(wèi)标准工具，由迈克尔逊干涉仪演变而来。它可(kě)以使边缘更清晰、更锐利，更容易观察和测量。
Fizeau干涉仪（以法國(guó)物(wù)理(lǐ)學(xué)家Hippolyte Fizeau命名，1819-1896年），它是另一种变體(tǐ)，并且通常比Fabry-Perot更容易使用(yòng)，被广泛用(yòng)于光學(xué)和工程测量。
Mach-Zehnder干涉仪（由德國(guó)人Ludwig Mach和瑞士人Ludwig Zehnder发明）使用(yòng)两个分(fēn)束器代替一个分(fēn)束器，产生两个输出光束，可(kě)以分(fēn)别进行分(fēn)析。它广泛应用(yòng)于流體(tǐ)力學(xué)和空气动力學(xué)，这是它开始开发的领域。
Sagnac干涉仪（以法國(guó)物(wù)理(lǐ)學(xué)家Georges Sagnac的名字命名）将光分(fēn)成两束，以相反的方向绕着一个封闭的环形或环形（因此它的另一个名字是环形干涉仪）。它广泛应用(yòng)于导航设备中，如环形激光陀螺仪（使用(yòng)激光束代替旋转轮的光學(xué)版陀螺仪）。
Twyman-Green干涉仪（由Frank Twyman和Arthur Green于1916年开发）是一种改进的Michelson,主要用(yòng)于测试光學(xué)设备。
大多(duō)数现代干涉仪都使用(yòng)激光，因為(wèi)它比普通光更有(yǒu)规律，更精确，并且产生相干光束（其中所有(yǒu)的光波都以相位方式传播）。干涉仪的先驱们没有(yǒu)机会使用(yòng)激光（直到20世纪中期才开发出来激光），所以他(tā)们不得不使用(yòng)通过狭缝和透镜的光束来代替。
光纤干涉仪。大多(duō)数干涉仪通过露天的光束，但当地的温度和压力变化有(yǒu)时会成為(wèi)误差的来源。激光（红色，12）通过透镜（灰色，16a/b）将其光束射入一对光纤電(diàn)缆中。其中一条（蓝色，18）成為(wèi)参考光束，将其光線(xiàn)直接反射到屏幕（橙色，22）上。另一个（绿色，20）允许其光束从被测量的东西（如振动表面）反射到第三条電(diàn)缆（绿色，30）。参考光束和反射光束相遇，并以通常的方式在屏幕上进行干涉。
先进的干涉仪可(kě)以测量1纳米以内的距离（十亿分(fēn)之一米，大约是10个氢原子的宽度），但是像其他(tā)任何类型的测量一样，它也容易出错。误差的最大来源可(kě)能(néng)是激光波長(cháng)的变化，这取决于激光穿过的材料的折射率。空气中的温度，压力，湿度和不同气體(tǐ)的浓度都会改变其折射率，从而改变通过它的激光的波長(cháng)，并可(kě)能(néng)导致测量误差。
幸运的是，好的干涉仪可(kě)以弥补这一点。有(yǒu)些使用(yòng)单独的激光来测量空气的折射率，而另一些使用(yòng)激光来测量空气的温度，压力，湿度，间接计算对折射率的影响；无论哪种方式，都可(kě)以校正测量值，并将总误差降低到百万分(fēn)之一或二分(fēn)之一。
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