干涉仪

什么是干涉仪？

干涉仪是一种精密测量设备，基于干涉现象工作。干涉是指两个或多个波叠加产生干涉图样的现象，其中初始光强度重新分配，结果波的幅度可能更高、相等或更低。干涉仪广泛应用于工业和学术领域，如传感、距离测量、跟踪与导航、光谱分析以及激光、CD和DVD驱动器中的光学元件、机械部件等的表面质量分析。

干涉仪通常通过一个分束器将光束分成两束，分束器是一种半透明镜子，使光束沿不同路径传播，如上图所示。其中一束被视为参考光束，而另一束用于采样，称为传感光束。传感光束要么照射样本并被反射，要么穿过样本。这束反射或透射光束将由于样本的信息而与入射的传感光束有所不同。将其与参考光束叠加，将产生包含样本所有必要信息的干涉图样。因此，通过分析该图样，可以获得观察样本的所需细节。该图样投影到屏幕、成像探测器或相机上。

形成的干涉图样是由于两束光的叠加或重叠，具有明亮和暗淡区域或带，称为干涉条纹。明亮的条纹是构造干涉的区域，而暗条纹是破坏干涉的区域。

构造干涉发生在波相位重叠时，即两波的峰谷相互匹配，导致该位置产生更高幅度的波。破坏干涉发生在两波相位不一致时，即一波的峰与另一波的谷重合，导致幅度降低或为零。如果两波的叠加发生在相位差介于两者之间的情况下，则幅度将取决于相位差的程度。这些相位差是由于样本与传感光束的相互作用引起的。

如果两个常规光源，例如灯泡，放置得很近，则无法观察到干涉图样或条纹。尽管在屏幕或墙壁上的每个位置上发出的光波存在一定的相位差，但这些瞬时相位差的随机性使得人眼或其他探测器难以感知或适应快速的幅度变化。因此，感知到的光照是平均的。因此，保持光源之间恒定的相位差对于观察或检测干涉图样非常重要。这种特性称为相干性。当两个源发出的波具有相同频率和恒定相位差时，这些源被称为相干源。否则，它们被称为非相干源。

干涉图样可以在肥皂泡、水面漂浮的油膜等上观察到，干涉现象可以通过杨氏双缝实验得到证明。在该实验中，来自一个点光源(S1)的两条次级光源(S2)通过小孔产生干涉图样，在距离它们的屏幕(F)上形成明亮和暗的条纹，如上图所示。

现代干涉仪使用图像传感器捕捉干涉图样，并将其存储为干涉图。可以使用复杂的软件包轻松分析这些数据，以提取必要的信息并从中重建原始图像。

干涉仪有多种类型，如迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、菲涅尔干涉仪、马赫-曾德干涉仪、萨尼亚克干涉仪、特维曼-格林干涉仪等。

天文学中的干涉仪

在天文学中，干涉仪可用于获取高分辨率的星体或其他天体的信息。通过多个小型望远镜或镜子的组合或阵列，可以获得相当于大型望远镜的分辨率。一个复杂的镜子系统支持这个组合，以提取每个望远镜的光信号，并叠加产生干涉条纹，从中可以重建高质量、细致的图像或获取所需信息。

这些干涉仪被称为恒星干涉仪，它们利用空间相干性。横向分离源的空间相干性随着角度的增加而减小。因此，通过分析来自两个或多个横向分离的望远镜信号生成的干涉条纹，可以确定星星在地球上的角度。随着这些望远镜的间距增加，从空间相干性获得的角度分辨率也会提高。结合来自其他源的信息与恒星干涉测量的结果，可以推导出给定星体的直径、距离、表面强度分布等。

医学领域中的干涉仪

干涉仪还可以集成到用于医疗仪器的光纤系统中，如内窥镜、针头和导管，这些仪器允许对生物细胞、组织和内部器官进行体内研究。它们可以执行体内医学成像、诊断、监测和微创手术。它们利用对光与生物材料相互作用的知识的进步。