实验原理 干涉原理 一束光可以被视作为振动的电磁波。当两束或更多束光在空间相遇时，根据叠加原理， 这些场叠加起来。也就是说在空间每一点，其电磁场是由在该点的各光束电磁场的矢量之和 决定。 如果每束光都来自不同的光源，则各光束电磁振动之间通常不存在固定的联系，任一时 刻空间都有一些点的场强被叠加至最大。然而可见光的振动频率大大快于人眼的响应，由于 电磁波的振动之间没有固定关系，某一时刻场强最大的一点，在下一时刻可能场强最小，人 眼平均了这些结果而看到一个统一的光强。 如果各光束来自同一光源，则各光束电磁振动频率和相位之间通常存在一定程度的关 联。若空间某点各光束的光一直是同相的，则叠加场总是最大，将看到一个亮点。而在空间 的其它点，各光束的光一直是反相的，则叠加场总是最小，被看到一个暗点。 托马斯·杨是最早设计产生干涉图案的人之一。他让一窄光束入射在两个相邻近的狭缝 上，在狭缝后面放置一个观察屏，在屏上出现了明暗相间的规则图案。杨氏实验为光的波动 特性提供了重要的证据。 杨氏狭缝可被当作一个简单的干涉仪。如果己知狭缝间距，可利用亮暗条纹的间距来测 定光的波长。反之，如果己知光的波长，可由干涉图案测得狭缝间距。 迈克耳逊干涉仪 1881年，杨氏进行双缝实验78年后，迈克耳逊设计制造了一台类似原理的干涉仪。起 初迈克耳逊设计这一干涉仪是为了测量以太（一种假设的光传播介质）是否存在，部分由于 他的努力，以太被证明是不存在的。此后，迈克耳逊干涉仪被广泛地用于测量光的波长，或 己知光源波长测量微小位移，以及研究光学介质。 图1是迈克耳逊干涉仪的示意图， ViewingScreen 来自激光器的光束入射到分束器后， 50%的入射光被反射，另50%透过分束 Beam Compensator Splitter Plate 器，入射光束被分成两束，透射束射向 可移动的反射镜(M1),反射束射向固 Lens Movable Mirro 定的反射镜(M),这两个反射镜将光 M,) 束直接反射回分束器，来自M的光被分 束器反射至观察屏，来自M2的光透过分 束器射向观察屏。 Adjustable Mirror (M) 被分束的光再汇合，由于光束来自 同一光源，它们的相位有很强的关联。 Figure 1.Michelson Interferometer 这时若在激光器与分束器之间放置一个透镜使光扩束，就 可以在观察屏上看到明暗相间的干涉圆环或条纹（图2）。 由于两干涉光束是由一束光分束得到，它们具有相同 的初始相位，因而在观察屏上任一相遇点的相对相位取决 于它们到达该点的光程差。 通过移动M可以改变其中一束的光程。由于光在M1 和分束器之间走了一个来回，将M移向分束器1/4波长， Figure 2.Fringes
实验原理 干涉原理 一束光可以被视作为振动的电磁波。当两束或更多束光在空间相遇时，根据叠加原理， 这些场叠加起来。也就是说在空间每一点，其电磁场是由在该点的各光束电磁场的矢量之和 决定。 如果每束光都来自不同的光源，则各光束电磁振动之间通常不存在固定的联系，任一时 刻空间都有一些点的场强被叠加至最大。然而可见光的振动频率大大快于人眼的响应，由于 电磁波的振动之间没有固定关系，某一时刻场强最大的一点，在下一时刻可能场强最小，人 眼平均了这些结果而看到一个统一的光强。 如果各光束来自同一光源，则各光束电磁振动频率和相位之间通常存在一定程度的关 联。若空间某点各光束的光一直是同相的，则叠加场总是最大，将看到一个亮点。而在空间 的其它点，各光束的光一直是反相的，则叠加场总是最小，被看到一个暗点。 托马斯·杨是最早设计产生干涉图案的人之一。他让一窄光束入射在两个相邻近的狭缝 上，在狭缝后面放置一个观察屏，在屏上出现了明暗相间的规则图案。杨氏实验为光的波动 特性提供了重要的证据。 杨氏狭缝可被当作一个简单的干涉仪。如果已知狭缝间距，可利用亮暗条纹的间距来测 定光的波长。反之，如果已知光的波长，可由干涉图案测得狭缝间距。 迈克耳逊干涉仪 1881 年，杨氏进行双缝实验 78 年后，迈克耳逊设计制造了一台类似原理的干涉仪。起 初迈克耳逊设计这一干涉仪是为了测量以太（一种假设的光传播介质）是否存在，部分由于 他的努力，以太被证明是不存在的。此后，迈克耳逊干涉仪被广泛地用于测量光的波长，或 已知光源波长测量微小位移，以及研究光学介质。 图 1 是迈克耳逊干涉仪的示意图， 来自激光器的光束入射到分束器后， 50%的入射光被反射，另 50%透过分束 器，入射光束被分成两束，透射束射向 可移动的反射镜（M1），反射束射向固 定的反射镜（M2），这两个反射镜将光 束直接反射回分束器，来自M1的光被分 束器反射至观察屏，来自M2的光透过分 束器射向观察屏。 被分束的光再汇合，由于光束来自 同一光源，它们的相位有很强的关联。 这时若在激光器与分束器之间放置一个透镜使光扩束，就 可以在观察屏上看到明暗相间的干涉圆环或条纹（图 2）。 由于两干涉光束是由一束光分束得到，它们具有相同 的初始相位，因而在观察屏上任一相遇点的相对相位取决 于它们到达该点的光程差。 通过移动M1可以改变其中一束的光程。由于光在M1 和分束器之间走了一个来回，将M1移向分束器 1/4 波长， 4
光程将减少1/2个波长。干涉图案也随之改变，亮环的半径会减小，并占据以前暗环所在的 位置。如果M再向分束器移动14波长，亮环半径将再次减小，亮环和暗环再次交换位置， 这种新的分布与原来的图案完全一样。 将反射镜缓慢移动一段可测量的距离dm,数得条纹图案恢复到原先状态的次数m,则可 计算光的波长： 2d = m 如果已知光的波长，可以用同样的方法来测量dm。 注意：补偿板的使用 在图1中，注意到一束光仅通过分束器的玻璃一次，而另一束光通过它三次。假如使用 类似激光这样的高相干单色光源，这没有问题。但使用其它光源则另当别论了。 被分开的两束光的有效光程差增加了，从而降低了在观察屏位置光束间的相干性，这会 使干涉图案变模糊。 补偿片与分束器相同，仅仅是没有反射涂层。光路中插入补偿器后（图1），两束光通 过相同厚度的玻璃，从而消除了这个问题。 特外曼一格临干涉仪 特外曼-格临干涉仪是迈克耳逊干涉仪的一种变化，用来测试光学元器件。将透镜放置 在光路上，使一束干涉光经过该测试透镜，透镜的任何不规则都可从干涉图案的结果中检测 出，尤其是球差、慧差和象散在干涉图案中表现出特殊的变化。 Partial Mirrors Movable 5a… 4i: :72÷=1 k:2 ”88- 大 03: Screen Figure 3.Twyman-Green Interferometer Figure 4.Fabry-Perot Interferometer 法布里一珀罗干涉仪 在法布里珀罗干涉仪中，两面反射镜平行并列放置，组成一个反射腔。进入腔内的光 在腔内被来回反射（图4），每次反射都会有一部分光被透射，由此入射光束被分束成一系 列光束。由于透射光束是从一条入射光束分束出来，因此它们之间有固定的相位关系（假定 使用高度相干的光源)。 各透射光束之间的相位关系取决于光束进入反射腔的入射角和两面反射镜的间距。得到 的圆环干涉图案与迈克耳逊干涉图案相似，但条纹更细、更亮，其分布在空间也展的更宽。 法布里-珀罗条纹的细锐使得它成为高分辨率光谱测定的有用工具。 类似于迈克耳逊干涉仪，当可移动反射镜相对固定反射镜移动时，干涉条纹会移动。当 移动距离等于光源波长的12时，新的干涉图案与原图案一样
光程将减少 1/2 个波长。干涉图案也随之改变，亮环的半径会减小，并占据以前暗环所在的 位置。如果M1再向分束器移动 1/4 波长，亮环半径将再次减小，亮环和暗环再次交换位置， 这种新的分布与原来的图案完全一样。 将反射镜缓慢移动一段可测量的距离dm，数得条纹图案恢复到原先状态的次数m，则可 计算光的波长： m d m 2 λ = 如果已知光的波长，可以用同样的方法来测量dm。 注意：补偿板的使用 在图 1 中，注意到一束光仅通过分束器的玻璃一次，而另一束光通过它三次。假如使用 类似激光这样的高相干单色光源，这没有问题。但使用其它光源则另当别论了。 被分开的两束光的有效光程差增加了，从而降低了在观察屏位置光束间的相干性，这会 使干涉图案变模糊。 补偿片与分束器相同，仅仅是没有反射涂层。光路中插入补偿器后（图 1），两束光通 过相同厚度的玻璃，从而消除了这个问题。 特外曼-格临干涉仪 特外曼-格临干涉仪是迈克耳逊干涉仪的一种变化，用来测试光学元器件。将透镜放置 在光路上，使一束干涉光经过该测试透镜，透镜的任何不规则都可从干涉图案的结果中检测 出，尤其是球差、慧差和象散在干涉图案中表现出特殊的变化。 法布里-珀罗干涉仪 在法布里-珀罗干涉仪中，两面反射镜平行并列放置，组成一个反射腔。进入腔内的光 在腔内被来回反射（图 4），每次反射都会有一部分光被透射，由此入射光束被分束成一系 列光束。由于透射光束是从一条入射光束分束出来，因此它们之间有固定的相位关系（假定 使用高度相干的光源）。 各透射光束之间的相位关系取决于光束进入反射腔的入射角和两面反射镜的间距。得到 的圆环干涉图案与迈克耳逊干涉图案相似，但条纹更细、更亮，其分布在空间也展的更宽。 法布里-珀罗条纹的细锐使得它成为高分辨率光谱测定的有用工具。 类似于迈克耳逊干涉仪，当可移动反射镜相对固定反射镜移动时，干涉条纹会移动。当 移动距离等于光源波长的 1/2 时，新的干涉图案与原图案一样。 5