薄膜干涉之等倾资料

二级物理实验

【1】、薄膜干涉中等倾干涉的特点和性质

1、薄膜干涉

分振幅法－－点光源Q 发出的一束光投射到两种透明媒质的分界面上时，它

携带的能量一部分反射回来，一部分透射过去，∝,这种分割方式

称为分振幅法。最基本的分振幅干涉装置是一块由透明媒质做成的薄膜。

Q 是点光源。由Q 点发出的光射在薄膜的上表面时，它被分割为反射和折射两束光，折射光在薄膜的下表面反射后，又经上表面折射，最后回到原来的媒质，在这里与上表面的反射光束交迭，在两光束交迭的区域里每个点上都有一对相干光线在此相交，如相交于A,B,C,D 各点，A 点在薄膜表面，B 点在薄膜上面空间里，C 点是两平行光线在无穷远处相交，D 点是光线延长线在薄膜下面空间里。只要Q 点发出光束足够宽，相干光束的交迭区可以从薄膜表面附近一直延伸到无穷远。此时，在广阔的区域里到处都有干涉条纹。

观察薄膜产生的干涉条纹，可以用屏幕直接接收，更多的是利用光具组使干涉条纹成像（或用眼睛直接观察）。

由物像等光程性可知：两束光在A,B,C,D 各点的光程差与在A ´,B ´,C ´,D ´点的光程差是相等的，即参加干涉的两光束经光具组重新相遇时光程差是不变的，因此，我们在像平面上得到与物平面内相似的干涉图样，利用此方法，我们不仅可以观察薄膜前的“实”干涉条纹，还可以观察薄膜后的“虚”干涉条纹。

普遍地讨论薄膜装置整个交迭区内任意平面上的干涉图样是很复杂的问题，但实际中意义最大的是：

① 厚度不均匀薄膜表面的等厚条纹

② 厚度均匀薄膜在无穷远产生的等倾条纹

2、等倾干涉

当不同倾角的光入射到折射率均匀，上、下表面平行的薄膜上时，同一倾角的光经上、下表面反射(或折射)后相遇形成同一条干涉条纹，不同的干涉明纹或暗纹对应不同的倾角，这种干涉称作等倾干涉．等倾干涉一般采用扩展光源，并通过透镜观察．

I 2nE IS W

在所有的反射光和透射光中，相互平行的光将汇聚在无穷远处，则它们的干涉也将在无穷远处发生。如果在薄膜上表面用凸透镜观察，则所有相互平行的光将汇聚在凸透镜的焦平面上。在这种干涉装置中，只需要考虑相互平行的光即可。1.干涉级

（1）点光源

，，

有半波损失，则

或=干涉相长，干涉相消。

入射角相同时，光程差相同，是同一干涉级，故名等倾干涉。但入射点不同、入射面不同，

相对于界面法线，有相同的角度，经透镜后，在焦平面上为同心圆。定域于无穷远处。

（2）面光源：从不同两点发出的光，以同一角度入射时，在屏上汇聚于一点，而它们的光程差又是相等的，故干涉条纹的形态与点光源一样。

，，，

，

，，，

对透明介质，r很小，A1~A2>>A3>>A4>>……，……反射光，A1，A2起主要作用；透射光，可见度极小。

2. 薄膜厚度对干涉条纹的影响

（1）中央条纹

，垂直入射，干涉级最大，即中央条纹的干涉级数最大，由决定。h增大，对同一j，i1增大，即圆环膨胀。

h减小，对同一j，i1减小，即圆环收缩。

（2）条纹间距

对同一级j，，，厚度大，条纹间隔小。（3）条纹角宽度

相邻亮暗条纹之间的角距离。

=，=

,

（4）条纹分布

，中心处，角度小，大，即条纹中心疏，周围密。

【2】测波长的5-10种方法

1、分光计测量法

利用白纸上频谱图的特性。频谱宽度是与光的频率的自然对数成正比，而光的三原色频带宽相同，然后由频谱宽度，计算得光的频率为400-770Mhz，由c=fλ可知光的波长。

2、牛顿环测量法

牛顿环等厚干涉形成的第m级暗环半径为

r=(mRλ)^(1/2)

已知平凸透镜的曲率半径R，再测得第m级暗环的半径，即可求出波长。

3、衍射光栅测量法

利用公式dsinX=k*波长，实验主要测的是衍射角X，然后已知d、k，就计算出了波长。

光栅是一种重要的分光元件，它可以把入射光中不同波长的光分开，衍射光栅有透射光栅和反射光栅两种，常用的是平面透射光栅，它是由许多相互平行等距的透明狭缝组成，其中任意相邻两条狭缝的中心距离d称为光栅常数。根据夫琅和费衍射理论，当一束平行光垂直地投射到光栅平面上时，每条狭缝对光波都会发生衍射，所有狭缝的衍射光又彼此发生干涉。衍射角符合条件

，（k=1,2,3···）

光栅衍射

时，在该衍射角方向上的光相叠加将会加强，其它方向光相互抵消。如果用会聚透镜把这些衍射后的平行光会聚起来，则在透镜的焦平面上将出现一系列亮纹，形成衍射图样。如图所示，上称为光栅方程，其中λ为入射光波波长，θ为衍射角，k为衍射亮纹的级数。在θ为0的方向上可以观察到中央亮纹。其它各

级亮纹对称分布在中央亮纹两侧。若已知光栅常数d ，测出相应的衍射条纹与0级条纹间的夹角θ，便可求出光波波长。

此外，光栅测量还包括投射、折射等。 4、单缝衍射测光波波长

单缝衍射的图样为明暗相间的条纹，中间为主极强，相对密度为1，中间亮条纹的半角宽度约为sinb=波长/a,其中b 为衍射角。

次极强的强度较主极强弱得多，暗纹的位置，即光强为零的位置出现于sinb=0处，即

sinb=kx/2

其中x 为波长。

5、平行光管测波长

已知透镜直径为D ，最小分辨角为a ，则有a=1.22*波长/D ，可以依据公式求出波长。

6、迈克尔逊干涉仪测波长

根据条纹的吞吐现象求出波长。调节干涉仪刻度轮，读数并记录d ；继续调节干涉仪，认真观察，当屏幕圆心处干涉条纹“吞”或“吐”数目为N 时，在此读书并记录d 。两次测量的d 值差值的2倍等于N 倍的波长求出光波波长。将上述过程重复n 次后，对所得的n 个波长求平均值，所得值即为要求测的光波波长。

7、菲涅尔双棱镜干涉测量光波波长

利用干涉条纹与狭缝及像板与狭缝之间的关系测量波长。设两虚光源S1和S2之间的距离为，虚光源所在的平面(近似地在光源狭缝S 的平面内)到观察屏P 的距离为，且，干涉条纹间距为，则实验所用光源的波长为

因此，只要测出、和，就可用公式计算出光波波长。

8、密集光波分复用系统的波长测量。

8、激光功率计（指针式）光功率表测光波波长。

10、法布里-珀罗干涉仪测光波波长等等。

d 'd d d <<'x ∆λx

d d ∆'

=λd 'd x ∆

【3】迈克尔逊干涉仪历史

迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折射率的测量，若观察到干涉条纹移动一条，便是M2的动臂移动量为λ/2，等效于M1与M2之间的空气膜厚度改变λ/2。在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用。利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。

迈克尔逊干涉仪的最著名应用即是它在迈克尔逊-莫雷实验中对以太

风观测中所得到的零结果，这朵十九世纪末经典物理学天空中的乌云为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。除此之外，由于激光干涉仪能够非常精确地测量干涉中的光程差，在当今的引力波探测中迈克尔逊干涉仪以及其他种类的干涉仪都得到了相当广泛的应用。激光干涉引力波天文台（LIGO）等诸多地面激光干涉引力波探测器的基本原理就是通过迈克尔逊干涉仪来测量由引力波引起的激光的光程变化，而在计划中的激光干涉空间天线（LISA）中，应用迈克尔逊干涉仪原理的基本构想也已经被提出。迈克尔逊干涉仪还被应用于寻找太阳系外行星的探测中，虽然在这种探测中马赫-曾特干涉仪的应用更加广泛。迈克尔逊干涉仪还在延迟干涉仪，即光学差分相移键控解调器（Optical DPSK）的制造中有所应用，这种解调器可以在波分复用网络中将相位调制转换成振幅调制。

在所谓非线性迈克尔逊干涉仪中，标准的迈克尔逊干涉仪的其中一条干涉臂上的平面镜被替换为一个Gires-Tournois干涉仪或Gires-Tournois 标准具，从Gires-Tournois标准具出射的光场和另一条干涉臂上的反射光场发生干涉。由于Gires-Tournois标准具导致的相位变化和光波长有关，并且具有阶跃的响应，非线性迈克尔逊干涉仪有很多特殊的应用，例如光纤通信中的光学梳状滤波器。另外，迈克尔逊干涉仪的两条干涉臂上的平面镜都可以被替换为Gires-Tournois标准具，此时的非线性迈克尔逊干涉

仪会产生更强的非线性效应，并且还可以用来制造反对称的光学梳状滤波器。

【4】5—10种其它干涉仪

1、瑞利干涉仪

1896年瑞利为了测量惰性气体氩和氦的折射率，利用杨氏双缝干涉原理设计制作了一种专用干涉仪，称为瑞利干涉仪。

瑞利干涉仪是一种利用双光束干涉原理的高精度测量仪器，结构简单，使用方便，其光学原理如图。l样品池及p1、p2 补偿器的高度仅占整个空间的上半部分，补偿器p1沿垂直轴有一个固定夹角，补偿器p2可借助转鼓测微器F转动来改变夹角，L2是会聚透镜，L3为柱面镜，在观察管中看到上下两列干涉条纹，一列由光缝的下半部分两束光干涉形成，因为下半部分的光程差不变，故此干涉条纹是固定的；从光缝上半部分通过的两束光，分别经样品池后产生上半部干涉条纹。当样品池内不发生光程差(光程差起源于两室中的化学成分、温度、压力等)，另p1 、p2 也不附加光程差时，才和下半部干涉条纹对齐，否则相对下半部干涉条纹便有移动，这样在干涉仪中下半部干涉条纹就是上半部干涉条纹的固定标记。当两样品池中装有不同介质时，其折射率分别为n1,n2由于折射率的不同，引起的光程差为：△=(n2一n1)l=Kλ,式中λ为光源波长，K是对应光程差的干涉级，l为样品池的长度。

2、雅满干涉仪

这种干涉仪是J.雅满于1856年发明的。雅满用他的干涉仪研究了水的折射率随压力的变化关系，并用它来测定水蒸气的折射率。后人多用它来测量气体的折射率。

雅满干涉仪基本上由两块折射率和厚度都完全相同的平行平面玻璃板组成，每一块板都有一个镀银面，其结构如图所示。

雅满干涉仪自扩展光源发出的一束光,以45°入射角入射在第一块板M1的前表面上，在这里它被分为两部分，一部分在M1板的前表面和在第二块板M2的后表面上反射；另一部分在M1板的前表面上折射后，再依次在M1板的后表面和M2板的前表面上反射。因为两束光是相干的，它们在离开M2板的前表面后，会于望远镜的焦平面上形成干涉条纹。

玻璃板M1和M2的厚度一般为2～5厘米，经过它们的两束光可分得比较开。这样就可在它们之间放置所需的气体室G1和G2。而气体室两端窗口又有光阑的作用，只能使在玻璃板上一次内反射的光产生干涉，因此条纹中的光强分布呈严格的余弦二次方形式。亮条纹和暗条纹等宽。

使用时，以其表面与图面（见图）的交线为轴将M2板转动一很小的角度，这时就会产生平行于图面的干涉条纹，当使用白光光源时在这种位置上还可观察到白光干涉条纹。

将两气体室中的一个逐渐抽空，干涉条纹会在视场中移动。设气体室的长度为l，折射率的改变为δn，则

式中k是视场中移过叉丝的干涉条纹的数目，λ是光波波长。用这种方法就可测量出折射率的变化或气体的折射率，而且精度较高。

3、马赫—秦特干涉仪

雅满干涉仪的发展。在雅满干涉仪中，两块玻璃板的前表面起着分光板的作用，而后表面则为平面反射镜，分光板和反射镜不能单独进行调节，而且两束光的间隔为玻璃板厚度所限定。为克服这些局限性，L.马赫和L.秦特使用了四块玻璃板。

马赫－秦特干涉仪的结构如图所示。P1、P2是两块分别具有半反射面A1和A2的平行平面板,M1、M2是两块平面反射镜,一般是使四个反射面接近平行，并使它们的中心在一平行四边形的四个顶点上。

单色点光源S位于准直镜L1的焦平面上，从S发出的光经L1准直后，在半反射面A1上分为两束光, 一束光经M1和A2反射而达投射物镜L2, 另一束光则经M2反射并透过A2后也达L2。由于两束光是相干的, 在L2的焦平面上会产生干涉。将干涉仪的一块分光板稍作倾斜，在视场内会出现为数不多的几条平行等距直条纹。

这种干涉仪，由于其两束光可分得很开，特别适用于空气动力学中关于气流折射率或密度分布变化的研究。在作这种研究时,于T1处放一个风洞,而在T2处放一个参考室（装有不流动的同样气体），后者用以补偿前者的光程。观察气流变化前后的干涉图样的差别，就可求得气流折射率或密度空间分布的变化。

马赫－秦特干涉仪

实际上，由于气流密度变化非常迅速，必须采用短时间曝光的办法以获得气流密度分布的瞬时图像。这就要求干涉图样本身要有足够的亮度。所以以前多采用扩展光源。

目前常以激光器作这种干涉仪的光源，由于激光的单色性好，亮度高，此时不仅能获得清晰而又足够亮的干涉图样，而且使仪器的调节也变得方便。

4、泰曼干涉仪

泰曼干涉仪由两个准直透镜、分束器、标准平板以及标准球面镜所组成。单色光经小孔、光源准直透镜后被分束器分解成参考光束和检测光束。二者分别由标准平面和检测系统自准返回后，再经分束器，通过观测准直透镜重合，形成等厚干涉条纹，如图1所示。根据条纹的形状来判断被测件的光学质量。

波面干涉仪用泰曼干涉仪检测平板或棱镜的表面面形及其均匀性，和检测无限或有限共轭距镜头的波面像差，只需在检测光路中，用一标准的平面或球面反射镜，或再附加一负透镜组，以形成平面的自准检测光束即可，分别如图1a、图1b、图1c、图1d、图1e所示。

5、斐索干涉仪

斐索干涉仪有平面的和球面的两种，前者由分束器、准直物镜和标准平面所组成，如图2b；后者由分束器、有限共轭距物镜和标准球面所组成，如图2b。单色光束在标准平面或标准球面上，部分反射为参考光束；部分透射并通过被测件的，为检测光束。检测光束自准返回，与参考光束重合，形成等厚干涉条纹。

波面干涉仪

用斐索平面干涉仪可以检测平板或棱镜的表面面形及其均匀性，如图2a、图2b、图2c所示。用斐索球面干涉仪可以检测球面面形和其曲率半径，后者的测量精度约 1µm；也可以检测无限、有限共轭距镜头的波面像差，如图2d所示。

6、横向剪切干涉仪

7、径向剪切干涉仪

横向、径向剪切干涉仪没有参考波面。横向剪切干涉仪把被测光束分解成两个相同的，但相互横移的相干光束。径向剪切干涉仪则是把被测光束分解成波面面形相似，但横截面大小不相同的两相干光束。干涉出现在两相干光束的重叠区域内。两者分别如图3、图4所示。该两种干涉仪有多种多样的形式，如平板式、棱镜式、透镜式、光栅式等。横向剪切干涉仪不能直接测得波面像差；径向剪切干涉仪系统误差稍大。虽然这两种干涉仪易于加工，但仍未能像泰曼干涉仪那样被广泛使用。

波面干涉仪

上述5、6、7、8四种干涉仪均属于波面干涉仪。

8、射电干涉仪

由多元天线系统组成的一种射电望远镜。为了对射电源进行精确定位、分辨

出角径很小的源和研究射电天体的精细结构,须有高分辨率的射电望远镜。二十世纪四十年代末和五十年代初创制了许多新型射电望远镜，其中很重要的一种是根据光学干涉仪原理制成的射电干涉仪，它大幅度地提高了测量分立射电源的分辨本领。到七十年代，射电天文学家已能够分辨出0奬0002的射电源的角径。望远镜能分辨天体的最小角距δθ ,称为望远镜的分辨角，分辨角的倒数叫分辨率，δθ越小,分辨率越高。根据光学原理，δθ≈λ/D，λ为波长，D为望远镜的孔径。由于射电波段的波长比光学波段的要大一万倍乃至一亿倍,所以要射电望远镜能达到口径为5厘米的小型光学望远镜的分辨率,则其天线的孔径就要做到500米（工作在毫米波段），甚至 5,000公里（工作在十米波段），这是无法实现的。现在世界上最大的全可转抛物面天线的口径只100米,地面上固定不动的球面天线也只305米。因此，就单个射电望远镜来说,分辨率是很低的。早在1920年，恒星干涉仪就用来测量亮星的角径。射电干涉仪应用了与光学干涉仪同样的原理，在射电源定位和角径测量上起了巨大的作用。最简单的干涉仪由两台相隔一定距离的天线构成。干涉仪的分辨率取决于两天线之间的距离，而“接收面积”则取决于天线的大小。二者可以根据观测需要独立选取，这意味着可以大量地节省材料，而不会降低望远镜的实效。连续孔径望远镜则不易做到这一点，因为它的分辨率和接收面积不是互相独立的

9、法布里—珀罗干涉仪

其结构如左图，M和M'是两块具有很小楔角的平板玻璃，相对两面互相平行，并涂有高反射率涂层，两板间用殷钢环隔离并固定。这种间距固定不变的干涉仪常称作标准具。入射光在相对两面上反复反射和折射后产

生多束相干反射光和透射光，透射光束在透镜L′的焦面上叠加，形成等倾圆环状干涉条纹。

10、超导量子干涉仪

作为灵敏度极高的磁传感器,超导量子干涉仪(即SQUID)在生物磁测量,大地测量,无损探伤等方面获得了广泛的应用.本文主要介绍了超导量子干涉仪的基本原理,制作工艺以及发展现状,并总结了目前的应用热点和国内外研究进展,对我国如何开展该方面的研究进行了探索和分析.

超导量子干涉仪 ( Superconducting QUantum Interference Device )，为一种极高灵敏度的磁量仪，可用以探测极小磁场；其工作原理是利用包含约瑟夫森截面 ( Josephson junction )的超导线圈，在磁场下可用以探测磁通量量子 ( magnetic flux quantum )的性质而制成。

11、双频激光干涉仪

双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。和单频激光干涉仪一样，双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等。它既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等

12、光纤干涉仪

干涉现象是光学的基本现象，利用光纤实现光的干涉，是光干涉现象的重要应用。由于光纤取代透镜系统构成的。光路具有柔软、形状可随意变化、传输距离远、可适用于各种有强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境，从而可以构造出各种结构的干涉仪和许多功能器件，如光纤陀螺、光开关、光定位器件等，有广泛的应用前景。

【5】迈克尔逊干涉仪的其它用途

一、传统迈克尔逊干涉仪的测量应用

1. 微小位移量和微振动的测量[11-14]；采用迈克尔逊干涉技术,通过测量KDP 晶体生长的法向速率和台阶斜率来研究其台阶生长的动力学系数、台阶自由能、

溶质在边界层内的扩散特征以及激发晶体生长台阶的位错活性。He-Ne激光器的激光通过扩束和准直后射向分束镜,参考光和物光分别由反射镜和晶体表面反射,两束光在重叠区的干涉条纹通过物镜成像,该像用摄像机和录像机进行观察和记录.滤膜用于平衡参考光和物光的强度.

纳米量级位移的测量：将迈克尔逊型激光干涉测量技术应用于环规的测量中。采用633nm稳频的He-Ne激光波长作为测量基准，采用干涉条纹计数，用静态光电显微镜作为环规端面瞄准装置，对环规进行非接触、绝对测量，配以高精度的数字细分电路，使仪器分辨力达到5nm；静态光电显微镜作为传统的瞄准定位技术在该装置中得以充分利用，使其瞄准不确定度达到30nm；精密定位技术在该

装置中也得到了很好的应用，利用压电陶瓷微小变动原理，配以高精度的控制系统，使其驱动步距达到5nm。

测振结构的设计原理用半导体激光器干涉仪对微振动进行测量时,用一弹性

体与被测量（力或加速度)相互作用,使之产生微位移。将这一变化引到动镜上来,就可以在屏上得到变化的干涉条纹,对等倾干涉来讲,也就是不断产生的条纹或

不断消失的条纹。由光敏元件将条纹变化转变为光电流的变化,经过电路处理可

得到微振动的振幅和频率。

压电材料的逆压电效应研究：压电陶瓷材料在电场作用下会产生伸缩效应,

这就是所谓压电材料的逆压电现象,其伸缩量极微小。将迈克尔逊干涉仪的动镜

粘在压电陶瓷片上,当压电陶瓷片受到电激励产生机械伸缩时就带动动镜移动。

而动镜每移动λ/2的距离，就会到导致产生或消失一个干涉环条纹，根据干涉

环条纹变化的个数就可以计算出压电陶瓷片伸缩的距离。

2. 角度测量[15-16]：刘雯等人依照正弦原理改型设计了迈克尔逊干涉仪，可以完成小角度测量。仪器的两个反射镜由三棱镜代替，反射镜组安装在标准被测转动器件的转动台上。被测转角依照正弦原理转化成反射镜组两个立体棱镜的相应线位移,而后进行干涉测量，小角度干涉仪测角分辨率达到10-3角秒量级。在王贵甫等人设计的角度测量仪中，两个反射镜都是平面镜，但动镜被固定到一个转台上，通过转台将转动角位移转换成迈克尔逊测长仪能够测量的线位移。从而把角度旋转转变为位移移动，从而用干涉仪测出角度的变化。

3.薄透明体的厚度及折射率的同时测量[17]

目前各大学使用迈克尔逊干涉仪只测量已知厚度的薄膜的折射率或已知薄

膜的折射率再测量它的厚度[1]，赵斌[16]经研究得出：可同时测量薄透明体厚

度及折射率。其方法是：在不放薄膜时调出白光干涉条纹，而后插入透明薄膜，在薄膜与光线垂直时调出白光干涉条纹后,记录此时动镜移动的距离，再将薄膜

偏转α角（45°比较方便）,再调出白光干涉条纹，再记录动镜移动的距离。通过动镜这两次移动的距离和薄膜的偏转角，就可以同时计算出待测薄膜的厚度和折射率。

4.气体浓度的测量[18]：在迈克尔逊干涉仪的参考光路中，放入一个透明气体室，利用白炽灯做光源,在光程差为零的附近观察到对称的几条彩色条纹,中间的黑

色条纹是等光程(Δ=0)精确位置。利用通入气体前后等光程位置的改变量，计算出气体的折射率，再利用气体的折射率与气体浓度的关系，计算出气体浓度。5.引力波探测(超大型迈克尔逊干涉仪)[19]

引力波存在是广义相对论最重要的预言，对爱因斯坦引力波的探测是近一个世纪以来最重大的基础探索项目之一。目前还没有直接证据来证明引力波的存在。目前，许多科学家正致力于利用激光干涉引力波探测仪来探测引力波。该仪器的主体是一台激光迈克尔逊干涉仪。在无引力波存在时，调整臂长使从互相垂直的两臂返回的两束相干光在分光镜处相干减弱，输出端的光电二极管接收的是暗纹，无输出信号。引力波的到来会使一个臂伸长另一臂缩短，使两束相干光有了光程差，破坏了相干减弱的初始条件，光电二极管有信号输出，该信号的大小与引力波的强度成正比。20世纪90年代中期，华盛顿州的Hanford和路易斯安娜州的Livingston开始建造引力波探测站，并于21世纪初相继建成臂长4000米、2000米的激光干涉仪引力波探测仪。据估计，引力波探测极有可能在今后10-20年内取得重大突破。

二、光纤迈克尔逊干涉仪及其应用：

1.光纤迈克尔逊干涉仪的原理[20]

光纤迈克尔逊干涉仪的系统构成如图2所示。从半导体激光器输出的光,耦

合到光纤中,经过耦合器分束进入干涉仪的两条光纤臂中,在光纤臂的两端直接

镀上反射膜以实现传统分立元件迈克尔逊干涉仪中两反射镜的功能,由此反射回

来的光再经耦合器汇合，形成干涉，由探测器进行检测。

该干涉仪最大特点是光路全封闭,光纤两臂可绕成任意形状,结构灵活,抗电

磁干扰，对被测介质影响小，适应性强等特点，因此,它的应用可以延伸到许多

传统干涉仪的禁区,例如用于恶劣环境的高灵敏度传感、水声探测和地下核爆核

查测试。它是许多高灵敏度光纤传感器的重要物理基础。由于光纤两个反射臂中的光传导特性可以受到温度、压力等外在条件的影响，所以，光纤迈克尔逊干涉仪可以实现光纤应变、温度等物理量的测量。

2.光纤迈克尔逊干涉仪的应用：

（1）．混凝土内部应变的测量[21]

把组成光纤迈克尔逊干涉仪的一个臂预埋到混凝土中，当混凝土内部发生膨胀、收缩或变形时，光纤迈克尔逊的白光干涉条纹发生变化，这样可以混凝土内部的一维和二维很小的应变状态进行测量,可以及时了解材料内部应变信息以及

内部应变状态分布。由于光纤传感器体积小,重量轻,柔软易于布置,可埋入性好,抗拉性好,耐腐蚀性强;不改变材料结构的受力状态;测量的成本低等特点。（2）. 地震波加速度的测量[22]

以全光纤迈克尔逊干涉仪为基础，研制出由地震敏感元件组成的单分量双光路加速度地震检波器样机，能同时精确检测空间三个方向加速度的三分量地震检波器就是一个重要的发展方向。高灵敏度的加速度地震检波器是地震探测过程中检测地震波强度、方向和频率等物理量的传感器，在整个地震探测过程中的作用十分关键。

（3）.温度的测量，透明液体、固体折射率或与折射率相关的浓度的测量: 哈尔滨智能光电科技有限公司研制了光纤迈克尔逊干涉测量实验系统，可以测量温度，透明液体、固体折射率或与折射率相关的浓度

三、作为其它仪器的核心部分的迈克尔逊干涉仪

1.傅里叶红外吸收光谱仪[23]

利用迈克尔逊干涉原理进行光谱测量，通过傅里叶变换获得样品的红外吸收光谱或拉曼光谱，是光谱技术的一场革命。与棱镜光谱仪相比，测量时间极大地缩短，光谱的信噪比有很大提高。在傅里叶变换光谱仪中,光源发出的光先是经

迈克尔逊干涉仪变成干涉光,再让干涉光照射样品,检测器获得干涉图,再用计算

机把干涉图进行傅里叶变换就能得到红外吸收光谱。实际上傅里叶变换红外光谱仪的核心就是一个由迈克尔逊干涉仪所构成的红外光谱分光系统。

2.干涉成象光谱技术[24]

干涉成像光谱技术是当代可见光红外遥感器的前沿科学,在军事侦察中可发现可见光所不能发现的军事目标,并能根据武器系统的特征发射或反射光谱来判断武器种类和型号。在民用方面,它可用于天文物理、人气物理、地球科学研究，进行地球资源(国土、矿物、海洋、森林植被)普查与考察等。

超光谱付里叶变换成像光谱技术是通过迈克尔逊干涉仪用NxM元探测器焦平面列阵凝视所关心的景物，干涉仪中反射镜的运动把光谱信息转变为时间干涉图，同时探测器焦平面列阵以其帧速率得到采样，因此每个像元都记录了一张独特的采样干涉图，这些干涉图经过付里叶变换最终变为空间-光谱数据立方体。这些数据能够提供被测地物在波长上几乎连续采样的超多光谱通道的窄带光谱信号,即对地物等被测物进行单波长成像，有可能做到根据众多地面物质的吸收(或反射)和发射光谱特征直接确认地面物体并分析诊断出地面像元的物质成分。

3. 光学相干层析成像系统[25-26]：

为了实现对微小活体组织的无辐射,无损伤及实时的探测和成像，人们发展了光学相干层析成像系统（Optical Coherence Tomography=>OCT）。OCT的工作原理：入射光分别进入光纤迈克尔逊干涉仪中放有反射镜的参考臂和放有被测样品的样品臂。从反射镜返回的参考光和被样品背景反射回来的信号光,只有在它们的光程差处于光源的一个相干长度范围内,它们才会产生干涉信号,并在探测光束焦点处返回的光束才有最强的干涉信号,产生的干涉信号被探测器接收,再通过解调,然后进行数据处理。水平或纵向深度移动参考臂的反光点,可以获得局部不同点的干涉图样，从而获得有关生物组织的信息。OCT可应用于对生物组织成像。已经获得了眼睛透明结构的层析图像,心血管,胃肠道组织深部微米分辨力的成像,活体中胃肠组织的显微形态及隐窝腔,上皮细胞和固有层之间的后向散射振幅之间的差异等清楚可见;用OCT可以获得胚胎发育过程的一系列图像,可以动态观察这一过程。(2)OCT与多普勒技术相结合形成一种新的检测技术,它可用来检测高散射介质中的流体速度,如皮肤表层下的血流速度及用于确定亚表

层中微血管直径和血流速度分布等,而且能够给出空间各点的流速分布,对疾病

的诊断有重要价值。

4. 微型集成迈克尔逊干涉仪[27]

德国的Hommewerke公司在硅片上集成了双迈克尔逊干涉仪，所有的光学元件集成在7.5X7.5mm2的硅片上，生产出了集成光学传感器，它体积小、成本低、稳定性高等优点，它可以完成位移、力和折射率的测量。

5. 迈克尔逊干涉仪在其它方面的应用：

利用等厚干涉条纹测量微光的调制传递函数MTF[28]：利用迈克尔逊干涉仪产生一系列空间频率的等厚干涉条纹来模拟分辨率板的作用,在计算机的控制下,自动测量出连续的MTF曲线。给出的实验光路和实验结果表明,利用干涉条纹测量微光的MTF是一种可行的简便方法,在计算机的控制下,可快速完成夜视仪的传递函数测量。利用迈克尔逊干涉仪测量光学球面的曲率半径[29]：利用迈克尔逊干涉仪的白光干涉零级暗条纹测出平面与被测球面相交的圆直径及相应的矢高值后,便可求得球面曲率半径.测量过程中无测量力的影响,也不会损坏被测件表面,而且测量时对被测件安装定位无特殊要求,误差环节少,具有实用意义。超短脉冲激光测量的标定方法[30]:利用迈克尔逊干涉光路的相对光程差,产生已

知时间间隔,作为时间基准对皮秒、飞秒激光脉冲的测量进行了标定。

6.迈克尔逊干涉仪中干涉条纹变化的自动测量[26,31]。

人工读出和记录干涉条纹圆环的几百次“冒出”或“缩进”，眼睛很容易疲劳导致人为的实验误差，增大实验的不确定度，分辨能力也不如光电传感器。为此，人们设计了自动记录测量系统。第一种是利用单个光敏器件（光敏电阻、光电池、光电二极管等），根据干涉圆环“冒出”或“缩进”时光电流（或电压）的变化，记录圆环“冒出”或“缩进”的数量。第二种方法是把CCD代替干涉屏，它可以在计算机屏幕上观察干涉条纹，用计算机可以详细的纪录干涉环的变化情况,对环的移动进行计量，计算出相对位移。