激光干涉技术的发展历史、现状与应用前景

科技动态

——地壳运动与地震

2008年12月第4期（总第90期）

目次

激光干涉技术的发展历史、现状与应用前景 (1)

全球性地震监测的过去、现在和未来 (7)

利用ALOS/PALSAR数据资料采用INSAR方法测定地震造成的地壳形变 (8)

PIXEL：日本INSAR地壳形变研究社团 (8)

利用多天线GPS形变监测系统进行滑坡监测 (9)

ENVISAT卫星SCANSAR干涉测量法测到的西藏大范围形变 (9)

利用远、近场地震资料确定深源地震的破裂速度 (10)

中国首度举办世界地震工程大会回良玉出席大会开幕式并致辞 (10)

国际空间站安装地震预报实验装置 (11)

科学家探测到震前细微地质变化——有望预警地震 (12)

国家测绘局、中国地震局联合召开新闻发布会公布汶川地震地形变化监测结果 (13)

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4米―通天石柱‖立珞珈山建地壳运动监测网 ·····································································

中、外文期刊专题文献题录 (14)

应变集中带与大地震的关系 (25)

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地壳活动综合观测系统的研发和取得的成果以及今后的连续观测 (26)

湖北省地震局抗震救灾英雄模范卓力格图抵京接受表彰 (30)

湖北省地震局赴四川地震灾区现场工作队被授予“湖北青年五四奖状” (30)

《湖北省地震应急预案（修订稿）》通过评审 (30)

郭生练出席湖北省地震应急快速反应系统项目建设总结表彰会 (31)

西班牙兰萨若特自治州主席率代表团访问湖北 (31)

湖北省地震重点监视防御区工作会议在武汉召开 (32)

武汉地震工程院参建湖北援川项目 (32)

郭唐永研究员赴韩国庆州参加中韩SLR研讨会并进行合作交流 (32)

王佩莲被省科协授予―湖北省科技传播十大杰出人物‖称号 (33)

《科技动态》2008年总目录 (34)

主编：郭唐永副主编：贾冬青责任编辑：饶扬誉贾冬青

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激光干涉技术的发展历史、现状与应用前景

吴涛周云耀

（中国地震局地震研究所）

1 引言

现代激光干涉技术是在人类关于光学的几乎全部知识的基础上发展起来的。激光技术和信号处理技术对于激光干涉技术的发展起着重要的作用。现代激光干涉仪器是物理学理论和当代技术有机结合的产物。

激光由某一特定原子能级的受激散射激发，在特定的谐振腔内经过了选模、稳频和振荡放大，与普通光源相比，它具有一些独特的性质：

1、单色性好。普通光源中单色性最好的Kr86其谱线宽度也有0.00047nm。而激光的谱宽很窄，是一般单色光源的万分之一至千万分之一，是当今最好的单色光源。

2、相干性好。普通光源由于单色性差，相干长度仅只有0.15m，为保证干涉现象的出现，两路光束的光程差不能大于0.15m。相比之下，普通的He-Ne激光器其相干长度达到了300m。所以可以说激光是完全相干光。

3、方向性强。与普通光源以4π立体角不同，激光发射限定在很小的立体角内。通过开放谐振腔的进一步设计，同时采取选模措施，可以获得几乎理想的平行光，它可以传播很远而极少发散，其发散主要是由于光束本身的衍射特性等造成的。

4、亮度高。由于激光发射被限定在一个极小的立体角内，因而辐射功率高度集中，激光的亮度极高。输出功率1mW的激光亮度是100W的高压汞灯的1000倍。

激光的这些特性，使得自激光问世以来，以激光为光源的激光干涉技术不断发展，出现了各种形式的激光干涉仪，广泛应用于各领域、尤其是地学领域，已经成为人类认知世界的重要工具。

2 历史的简单回顾

1604年开普勒（J．Kepler）写出光学著作，指出光的强度和到达光源距离的平方成反比。1611年开普勒出版《折射光学》。

1620年斯涅耳（W.R．Snell）建立折射定律。

17世纪后半叶，玻意耳（Boyle）和胡克（Hooke）独立观察了两块玻璃板接触时出现的彩色条纹，虽然不能作出正确解释，但毕竟是人类开始注意到了干涉现象。

1704年牛顿出版《光学》。

1801年托马斯²杨（Thomas Young）用双狭缝实验演示了光的干涉现象，即著名的杨氏双缝实验。

1808年马吕斯（E.T．Malus）发现双折射和偏振。

1815年菲涅耳（A．Fresnel）发表“论光的衍射”。

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1818年阿喇果和菲涅耳发现两个正交的偏振光不能干涉。这导致杨和菲涅耳得出光是横波的结论。

1846年法拉第（M．Faraday）发现光的震动面在磁场中发生偏转。

1851年菲佐（H.L．Fizeau）进行了一个干涉实验，干涉仪的一个臂通过水流的方向和光传播方向一致；而另一臂则相反。由此观察到了条纹的移动。

1855年赛德尔（L.Von．Seidel）提出三级像差理论。成为几何光学设计的理论基础。值得注意的是卡尔²蔡司建立了光学仪器公司，经过阿贝的努力成为产业。

1860年麦克斯韦（C．Maxwell）的理论研究指出，光的传播是电磁现象，并于1880年预言，“地球通过以太的运动所导致的光速变化正比于地球速度对于光速比值的平方”，他认为这个效应小的无法用实验测量。

1881年迈克尔逊（Albert．A．Michelson）设计了著名的实验来测量“以太”漂移。当然没测到漂移，由于导致“以太”说的破灭和相对论的诞生。它首次用于干涉仪，以镉红谱线与国际米原器作对比。正是由于他的工作导致后来用光的波长定义“米”。由于他在精密光学仪器、光谱和计量领域的研究工作于1907年获得诺贝尔奖。

1896年塞曼（P．Zeeman）发现，当钠焰置于强点磁场中，两条黄线被展宽。对此，洛伦茨（H.A. Lorentz）创立了电子论。由于他们对于光和磁的物质相互作用的研究于1902年获得诺贝尔奖。

1900年普朗克（Max．Planck）提出辐射的两字理论，解释了辐射能量按波长分布的规律，量子论的诞生成为近代物理学的起点，于1918年获得诺贝尔奖。

1905年爱因斯坦（Albert Einstein）提出了相对论原理，并由于他在光电效应定律的研究工作于1921年获得诺贝尔奖。

1924年Louis de Broglie推导出de Broglie波方程λ=ｈ²(mv)-1，说明所有的运动粒子都具有相应的波长。为隧道显微镜、原子力显微镜的诞生做了理论准备。

1960年Maiman研制成功第一台红宝石激光器，从此开始了光学技术飞速发展的新时代。从此，激光干涉测量被广泛地用于长度、角度、微观形貌、转速、光谱等领域，并和微电子技术、计算机技术集成，成为现代干涉仪。

1960年第十一届国际计量大会决定以氪-86的波长定义“米”。1983年第十七届国际计量大会又作出新的决议：“米是光在真空中1/299,792,458秒的时间间隔内所行进的路程的长度。”并推荐了复现米定义的五种激光波长。从此，干涉仪可以采用任何一种合适的激光器在任何地点直接进行测量。

1982年G．Binning和H．Rohrer研制成功扫描隧道显微镜，1986年发明原子力显微镜，1986年获得诺贝尔奖。从此开始了干涉仪向纳米、亚纳米分辨率和精度前进的新时代。

3 激光干涉仪的发展

由于激光具有极好的时间相干性，自问世以来，出现了多种激光干涉仪：

3.1 单频激光干涉仪

单频激光干涉仪以单纵模稳频激光器作为光源，用角隅棱镜作为反射镜，用两个探测器接收干涉条纹的变化进行可逆计数，这是最早期、最简单的位移测量干涉仪。

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