什么是干涉？干涉测量术的分类有哪些

干涉原理回顾？

依据叠加原理，波的汇合结果具有能够反映波原始状态的性质。干涉测量术正是基于这一点。当两束频率相同的光叠加时，它们产生的条纹取决于它们的相位差：相位相同时会产生增强条纹，相反则会产生减弱条纹。

处于两种情况之间则会产生中间强度的条纹。这些条纹可以用来分析这两束波的相对相位关系。绝大多数的干涉仪利用的是可见光等电磁波。

单束入射的相干光，在干涉仪中会经过分光镜分为两束。这两束光在到达探测器重新汇聚前会各自经过不同的路径，这个路径常称之为光路。光路的不同会导致它们相位产生差异。

干涉条纹正是产生于由此引入的相位差。如果单束光被分为两路，这两路光的相位差就可以表征任何可能影响它们光程的因素。这些因素包括路径长度的改变或是路径上折射率的变化。

（迈克耳孙干涉仪中图纹的形成）

上图中，当观察者透过分光镜观察反射镜M1时，可以看到反射镜M2的像M2'。所产生的图纹可以解释为光源S的两个虚像S1'和S2'所发出的光而产生的干涉纹。干涉纹的特征取决于光源的性质以及反射镜与分光镜的具体朝向。在图a中，光学元件的朝向使得S1'与S2'在观察者眼前排成一线，所产生的干涉纹则为圆心位于M1和M2'法线上的一组同心圆。

而当M1和M2'之间如在图b那样存在一定倾角时，干涉纹则会变为双曲线形，而在 M1和M2'重叠时，轴向附近的图纹会变为彼此平行、均匀分布的直线。

而当S不是图中的点光源，而是具有一定空间外延的光源时，图a中的图纹则需要在无限远处才能观察到，而图b中的图纹则位于反射镜上。

干涉测量术的分类

零差检测与外差检测。

零差检测使用的是波长相同的两束波。它们的相位差会导致检测仪上光强的变化。这种检测涉及两束光汇合后光强的测量以及干涉纹样式的记录。外差检测用于改变输入信号的频率范围或增强输入信号（通常会用到主动混流器）。频率为f1的较弱的输入信号会和频率为f2的产生自本地振荡器的较强的参考信号混合在一起。

这种非线性的混合会产生两个新信号，一束的频率为两束输入信号频率之和f1 + f2，另一束的频率则为两束输入信号的频率差f1 − f2。这些新频率称作外差。通常检测只会用到其中一种频率，另一束则会自混流器输出时被过滤掉。输出信号的强度与输入信号的振幅之积成比例。

外差技术最为广泛而重要的应用，是美国工程师埃德温·霍华德·阿姆斯特朗于1918年发明的超外差收音机。在这种收音机的电路中，由天线接收到的射频信号会与本地振荡器产生的信号混流，然后通过外差技术转换为较低的中频信号。之后这个中频信号会经放大以及滤波，由检波器从中提取出音频信号输送到扬声器。光学外差检测是外差技术向可见光频段的延伸。

‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍双光路与共光路

在双光路干涉仪中，参考光束与待检光束沿各自的光路传播。迈克耳孙干涉仪、特怀曼-格林干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪皆属此类。待检光束与样品相互作用后，再和参考光束重新汇合产生用以分析的干涉图纹。

共用光路干涉仪中则是参考光束与样本光束在共同的光路传播。下图为我们展示了萨奈克干涉仪、光纤陀螺仪、点衍射干涉仪以及横向剪切干涉仪这四种共光路干涉仪。这类干涉仪还有泽尼克相衬显微镜、菲涅耳双棱镜、零面积萨奈克干涉仪及散射板这几类。

（四种共用光路干涉仪）

波前分割与波幅分割

波前分割干涉仪会在一个点或一条狭缝分割波前（可以理解为将一束光分割为两束空间相干光），之后让波前的这两个部分分别经不同光路传播之后再汇合。

下图展示了杨氏干涉和劳埃德镜这两种波前分割机制。波前分割还有菲涅尔双棱镜、比耶（Billet）双透镜以及瑞利干涉仪这几种机制。

（两种波前分割机制）

1803年进行的杨氏干涉实验在光的波动理论为公众接受的过程中举足轻重。如果实验中使用的是白光的话，干涉结果中心会是由相长干涉（由于两束干涉光的光路相同）造成的白色光带，两侧则是亮度逐渐降低的对称彩色光带。除了连续的电磁辐射外，单光子以及电子间也会发生杨氏干涉。电子显微镜能够观测到的巴基球同样也能杨氏干涉。

劳埃德镜中则是由光源与光源的掠射像发出的光（分别是上图中的蓝线与红线）发生干涉。所产生的干涉纹并不对称。离反射镜最近的由同光路产生的光带却并不是亮的而是暗光带。

汉弗莱·劳埃德在1834年通过这个效应证明了前表面反射光束的相位发生反转的现象。波幅分割干涉仪则利用部分反射镜通过分割待测光波波幅将其分为几束，然后在重新汇聚。

下图展示了斐索干涉仪、 马赫－曾德尔干涉仪以及法布里－佩罗干涉仪。波幅分割干涉仪还有迈克耳孙干涉仪、特怀曼-格林干涉仪、激光不等光程干涉仪以及林尼克干涉仪几种。

（三种波幅分割干涉仪）

干涉测量术的应用

在光纤干涉测量中，可见光的干涉测量是干涉测量术中最先发展同时也得到最广泛应用的类别，早期的实际应用如迈克耳孙测星干涉仪对恒星角直径的测量，但如何获取稳定的相干光源始终是限制光学测量发展的重要原因之一。直至二十世纪六十年代，光学干涉测量技术得到了飞速的发展，这要归功于激光这一高强度相干光源的发明，计算机等数字集成电路获取并处理干涉仪所得数据的能力大大提升，以及单模光纤的应用增长了实验中的有效光程并仍能保持很低的噪声。电子技术的发展使人们不必再去观察干涉仪产生的干涉条纹，而可以对相干光的相位差直接进行测量。这里列举了光学干涉测量在多个方面的一些重要应用。

射电干涉测量中，望远镜的角分辨率正比于波长除以口径，而由于无线电波的波长远长于可见光，这造成单个射电望远镜无法达到观测一般的射电源所需的分辨率（例如采用波长为2.8厘米的无线电波进行分辨率为1毫角秒的观测，需要达6000千米的望远镜口径）。

基于这个原因，英国天文学家马丁•赖尔爵士等人于1946年发明了射电干涉技术，他们用一架两根天线组成的射电干涉仪对太阳进行了观测。射电干涉技术采用多个分立的射电望远镜构成阵列，这些望远镜在观测时都对准同一射电发射源，各自观测所得的信号彼此用同轴电缆、波导或光纤连接后发生干涉。这种干涉不仅仅是提升了观测信号的强度，而且由于望远镜彼此间的基线距离很长，从而提升了观测的有效口径。由于各个望远镜的位置不同，同一波前到达各个望远镜的时间因而会存在延迟，这就需要对先到达的信号进行恰当的延迟以保持信号彼此之间的时间相干性。

此外，构成干涉的望远镜数量越多越好，这是由于观测射电源表面的光强分布时，两台望远镜组成的干涉只能观测到光强分布的傅立叶变换（即可见度）的各个空间频率（这里空间频率的含义是描述光强在不同方向上变化快慢的傅立叶频率）中的一个频率；而采用多个望远镜构成阵列，则可以在多个空间频率上对射电源进行观测，再对观测所得的可见度函数进行逆傅立叶变换得到射电源的光强分布，这种方法叫做合成孔径。例如，位于新墨西哥州的甚大天线阵（VLA）由27架射电望远镜组成，每架望远镜由直径为25米的抛物面天线构成，彼此共形成351条彼此独立的干涉基线，最长的等效基线可达36千米

     




审核编辑：刘清