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干涉儀的原理與分類
來(lái)源： 閱讀：445 發(fā)布時(shí)間：2023-06-02 13:45:35
干涉儀的原理與分類
什么是干涉？
要了解干涉測(cè)量法，您需要了解干涉。在日常生活中，干擾只是意味著妨礙或干預(yù)，但在物理學(xué)中，干擾具有更具體的含義。當(dāng)兩個(gè)攜帶能量的波相遇并重疊時(shí)會(huì)發(fā)生干擾。它們攜帶的能量混合在一起，因此，您得到的不是兩個(gè)波，而是第三波，其形狀和大小取決于原始兩波的模式。當(dāng)波像這樣合并時(shí)，該過(guò)程稱為疊加。
如果您曾經(jīng)坐在浴缸中揮舞著波浪，那么您會(huì)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的干涉和疊加。如果來(lái)回推動(dòng)您的手，您可以將能量波從水的中心傳遞到浴缸的壁上。當(dāng)波浪到達(dá)墻壁時(shí)，它們從硬表面彈回的大小或多或少?zèng)]有改變，但速度相反。每次波浪都會(huì)從浴缸中反射出來(lái)，就像您在墻上踢了一個(gè)橡皮球一樣。一旦海浪回到您的手所在的位置，您可以通過(guò)與海浪同步移動(dòng)來(lái)使海浪更大。實(shí)際上，您將創(chuàng)建新的波形，將其添加到原始波形中并增加其峰值（振幅）的大小。當(dāng)波加在一起形成更大的波時(shí)，科學(xué)家稱之為相長(zhǎng) 干涉。如果以其他方式移動(dòng)手，則可以創(chuàng)建與原始波浪不同步的波浪。當(dāng)這些新波添加到原始波中時(shí)，它們會(huì)從它們中減去能量并使它們變小。這就是科學(xué)家所說(shuō)的破壞性干涉。
兩種類型的干擾。相長(zhǎng)干涉意味著將兩個(gè)或多個(gè)波組合起來(lái)以獲得更大的第三波。新波具有相同的波長(zhǎng)和頻率，但振幅更大（峰值更高）。破壞性干擾是指波相減并抵消。一波的峰值被另一波的波谷抵消。
一個(gè)波與另一個(gè)波同步的程度稱為其相位。如果兩個(gè)相同的波“同相”，則意味著它們的峰對(duì)齊，因此，如果將它們加在一起，我們將得到一個(gè)新的波，其大小是原始波的兩倍，但在其他方面卻完全相同。同樣，如果兩個(gè)波完全異相（我們稱之為反相），則一個(gè)波的峰值與另一個(gè)波的波谷恰好重合，因此將波加在一起不會(huì)給您帶來(lái)任何好處。
在這兩個(gè)極端之間，還有其他各種可能性，其中一部分波動(dòng)是 與對(duì)方同相。像這樣添加兩個(gè)波浪，將產(chǎn)生第三個(gè)波浪，其波峰和波谷的形態(tài)各不相同。將這樣的波浪照射到屏幕上，您會(huì)得到一種稱為干涉條紋的亮暗區(qū)域特征圖案。該圖案是您使用干涉儀研究和測(cè)量的圖案。
干涉儀如何工作？
干涉儀是一種非常精確的科學(xué)儀器，旨在以超乎尋常的精確度測(cè)量事物。
干涉儀的基本原理是將一束光（或其他類型的電磁輻射）用所謂的分光鏡（也稱為半透明鏡或半鏡）將其分成兩半。這只是一塊表面涂有很薄銀的玻璃。如果你向它照射光線，一半的光線直接通過(guò)，一半的光線反射回來(lái)--所以分光鏡就像一塊普通玻璃和一面鏡子之間的交叉。其中一束光（稱為參考光束）照射到鏡子上，然后從那里照射到屏幕、相機(jī)或其他探測(cè)器上。另一束光照到或通過(guò)您要測(cè)量的東西，照到第二面鏡子上，再通過(guò)分光鏡，照到同一個(gè)屏幕上。這第二道光束與第一道光束有一段額外的距離（或以其他一些稍微不同的方式），所以它的步幅會(huì)稍微偏離（相位偏離）。
一個(gè)基本的（邁克爾遜）干涉儀是如何工作的。如果我們把綠色光束作為參考光束，我們會(huì)讓藍(lán)色光束受到某種我們想要測(cè)量的變化。干涉儀將兩束光結(jié)合在一起，屏幕上出現(xiàn)的干擾邊緣是它們之間差異的視覺(jué)表現(xiàn)。
當(dāng)兩道光束在屏幕上相遇時(shí)，它們會(huì)發(fā)生重疊和干涉，它們之間的相位差就會(huì)形成一個(gè)亮區(qū)和暗區(qū)的圖案（換句話說(shuō)，就是一組干涉條紋）。亮區(qū)是兩個(gè)光束相加（建設(shè)性）而變得更亮的地方；暗區(qū)是兩個(gè)光束相減（破壞性）的地方。干擾的確切模式取決于其中一束光束所走過(guò)的不同方式或額外距離。
干擾邊緣不是落在一個(gè)簡(jiǎn)單的屏幕上，而是通常將其導(dǎo)入相機(jī)，以產(chǎn)生一個(gè)稱為干涉圖的永久圖像。在另一種安排中，干涉圖是由一個(gè)探測(cè)器（如老式數(shù)碼相機(jī)中使用的CCD圖像傳感器）制作的，該探測(cè)器將波動(dòng)的光學(xué)干涉條紋模式轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可以非常容易地用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。
干涉儀有哪些不同類型？
干涉儀在19世紀(jì)末開始流行，有幾種不同的類型，每種都大致基于我們上面概述的原理，并以完善該原理的科學(xué)家命名。六種常見(jiàn)的類型是Michelson, Fabry-Perot, Fizeau, Mach-Zehnder, Sagnac和Twyman-Green干涉儀。
Michelson干涉儀（以Albert Michelson命名，1853年-1931年），因?yàn)樗?881年著名的Michelson-Morley實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮的作用。當(dāng)時(shí)，Michelson和他的同事Edward Morley (1838-1923)推翻了一種被稱為 “乙醚 ”的神秘隱形液體的存在，物理學(xué)家們認(rèn)為這種液體充滿了空洞的空間。Michelson-Morley實(shí)驗(yàn)是愛(ài)因斯坦相對(duì)論的重要踏腳石。
Fabry-Perot干涉儀（1897年由1867-1945年的Charles Fabry和1863-1925年的Alfred Perot發(fā)明），也被稱為標(biāo)準(zhǔn)工具，由邁克爾遜干涉儀演變而來(lái)。它可以使邊緣更清晰、更銳利，更容易觀察和測(cè)量。
Fizeau干涉儀（以法國(guó)物理學(xué)家Hippolyte Fizeau命名，1819-1896年），它是另一種變體，并且通常比Fabry-Perot更容易使用，被廣泛用于光學(xué)和工程測(cè)量。
Mach-Zehnder干涉儀（由德國(guó)人Ludwig Mach和瑞士人Ludwig Zehnder發(fā)明）使用兩個(gè)分束器代替一個(gè)分束器，產(chǎn)生兩個(gè)輸出光束，可以分別進(jìn)行分析。它廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)，這是它開始開發(fā)的領(lǐng)域。
Sagnac干涉儀（以法國(guó)物理學(xué)家Georges Sagnac的名字命名）將光分成兩束，以相反的方向繞著一個(gè)封閉的環(huán)形或環(huán)形（因此它的另一個(gè)名字是環(huán)形干涉儀）。它廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航設(shè)備中，如環(huán)形激光陀螺儀（使用激光束代替旋轉(zhuǎn)輪的光學(xué)版陀螺儀）。
Twyman-Green干涉儀（由Frank Twyman和Arthur Green于1916年開發(fā)）是一種改進(jìn)的Michelson,主要用于測(cè)試光學(xué)設(shè)備。
大多數(shù)現(xiàn)代干涉儀都使用激光，因?yàn)樗绕胀ü飧幸?guī)律，更精確，并且產(chǎn)生相干光束（其中所有的光波都以相位方式傳播）。干涉儀的先驅(qū)們沒(méi)有機(jī)會(huì)使用激光（直到20世紀(jì)中期才開發(fā)出來(lái)激光），所以他們不得不使用通過(guò)狹縫和透鏡的光束來(lái)代替。
光纖干涉儀。大多數(shù)干涉儀通過(guò)露天的光束，但當(dāng)?shù)氐臏囟群蛪毫ψ兓袝r(shí)會(huì)成為誤差的來(lái)源。激光（紅色，12）通過(guò)透鏡（灰色，16a/b）將其光束射入一對(duì)光纖電纜中。其中一條（藍(lán)色，18）成為參考光束，將其光線直接反射到屏幕（橙色，22）上。另一個(gè)（綠色，20）允許其光束從被測(cè)量的東西（如振動(dòng)表面）反射到第三條電纜（綠色，30）。參考光束和反射光束相遇，并以通常的方式在屏幕上進(jìn)行干涉。
干涉儀的精度如何？
先進(jìn)的干涉儀可以測(cè)量1納米以內(nèi)的距離（十億分之一米，大約是10個(gè)氫原子的寬度），但是像其他任何類型的測(cè)量一樣，它也容易出錯(cuò)。誤差的最大來(lái)源可能是激光波長(zhǎng)的變化，這取決于激光穿過(guò)的材料的折射率?？諝庵械臏囟?，壓力，濕度和不同氣體的濃度都會(huì)改變其折射率，從而改變通過(guò)它的激光的波長(zhǎng)，并可能導(dǎo)致測(cè)量誤差。
幸運(yùn)的是，好的干涉儀可以彌補(bǔ)這一點(diǎn)。有些使用單獨(dú)的激光來(lái)測(cè)量空氣的折射率，而另一些使用激光來(lái)測(cè)量空氣的溫度，壓力，濕度，間接計(jì)算對(duì)折射率的影響；無(wú)論哪種方式，都可以校正測(cè)量值，并將總誤差降低到百萬(wàn)分之一或二分之一。
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