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什么是干涉仪——原理、类型与应用

干涉仪概述

什么是干涉仪?干涉仪是一种基于激光干涉原理进行工作的精密测量仪器,其名称也由此而来。干涉仪发明于19世纪中后期,作为一种功能强大且先进的设备,它能为材料科学、几何精度检测及位置精度检测等多个领域提供精确的测量结果。此外,干涉仪被广泛应用于光学检测领域,其显著优势在于测量精度高、采用非接触式测量且操作便捷、检测效率高等特点。对于从事光学专业领域的人士而言,深入全面地了解干涉仪大有裨益。

在这篇技术文章中,我们将探讨有关干涉仪的多个议题,包括:

  1. 光干涉现象的解释(干涉产生的原因、相长干涉与相消干涉)
  2. 干涉仪的优势与应用
  3. 干涉仪的基本工作原理
  4. 不同类型的干涉仪(包括迈克尔逊干涉仪、特怀曼-格林 [T-G] 干涉仪、斐索干涉仪、马赫-曾德尔 [M-Z] 干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、萨格纳克干涉仪)

 

这是一份专为初学者编写的简单易懂的指南,旨在帮助大家建立对干涉仪的总体认识。文中虽包含少量方程,但仅限于此,不涉及复杂的数学推导。

干涉仪种类繁多。若按结构分类,可将其分为两大类:单光路干涉仪和多光路干涉仪。两者的区别在于参与干涉的光波是否沿同一路径传播。例如,迈克耳孙干涉仪(Michelson interferometer)是一种常见的多光路干涉仪,而萨格纳克干涉仪(Sagnac interferometer)则属于单光路干涉仪。

尽管各类干涉仪的结构与应用各异,但我们可以通过解析迈克耳孙干涉仪——这一最经典的设计——来简化理解干涉仪的基本工作原理。迈克耳孙干涉仪由美国物理学家阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克耳孙(Albert Abraham Michelson)于19至20世纪之交发明,最初旨在探测“光以太”(luminiferous aether)是否存在;当时大多数物理学家认为,光波正是通过这种介质传播的。迈克耳孙干涉仪的基本配置包括光源、分束器、两面反射镜以及光电探测器。来自光源的光经分束器分为两束,分别沿不同的光路传播。其中一束光(测试光)穿过待测相位物体,其光程与另一束光(参考光)产生相位差;当两束光再次汇合时,便会形成干涉条纹。光电探测器会记录下包含待测物体或现象信息的干涉图样(即干涉图),通过解读和分析该干涉图,我们便能获取有关该物体的相关信息。

 

光的干涉

光干涉仪最根本的原理在于光的干涉现象。

什么是光的干涉?光的干涉是一种源于光波特性的物理现象。托马斯·杨(Young)通过双缝实验,利用波前分割法展示了干涉条纹的形成。当两列或多列波相遇并叠加时,就会发生干涉现象。这种波的叠加过程被称为“叠加原理”(Superposition)。根据叠加原理,干涉可分为相消干涉(Destructive Interference)和相长干涉(Constructive Interference)两种类型。波的叠加原理指出,当两个或多个同类型的传播波入射到同一点时,该点的合成振幅等于各波振幅的矢量和。如果一列波的波峰与另一列同频率波的波峰在同一点相遇,则合成振幅为各波振幅之和——这被称为相长干涉;如果一列波的波峰与另一列波的波谷相遇,则合成振幅等于各波振幅之差——这被称为相消干涉。


light interference

图1. 来自光源 a 的光穿过狭缝 b 和 c 后,形成了包含明暗条纹的干涉图样。

若将其想象成向池塘投掷石块,便不难理解这一现象,因为水波的行为与光波非常相似。当石块落入水中时,会产生以落点为中心向外扩散的同心涟漪,这些波浪会相互作用。当两个波峰重合时,会形成更大的波浪;而当一个波的波峰与另一个波的波谷相遇时,两者会相互抵消,使水面保持平坦。在实际情况中,完全相同的波浪极为罕见;但请记住,当波浪叠加时,其合成振幅始终等于它们相遇处各自高度(或深度)的代数和。

同样的模型也适用于光,因为光像水一样具有波动性。当两束激光汇合时,它们也会产生干涉图样,具体形态取决于光束汇合时光波的对齐程度。与水波类似,当光波波峰重合时,光波会相互增强,从而产生更高的亮度;而当波峰与波谷相遇时,光波会相互抵消,导致亮度降低。

为了进一步解释干涉现象,我们可以引入“相位”这一概念。相位是指波在特定时刻其周期内所处的位置,即衡量其处于波峰、波谷还是两者之间的某一点。相位用于衡量信号波形的变化,通常以度数(角度)表示,也称为相位角。当信号波形呈周期性变化时,波形的一个完整周期对应 360° 或 2π 弧度。干涉仪的核心原理在于获取波的相位信息,进而测得所需的物理量。相位差决定了波浪如何相互作用,从而决定了最终形成的干涉图样。

图2展示了相消干涉(destructive interference)的情形。假设蓝波的波峰值与红波的波谷值具有相同的振幅(即 1);由于光具有波动特性,若红波波峰与蓝波波峰之间的距离为半个波长(即相位差为 π),则两波叠加后的总值为 0。此时,蓝波与红波叠加的结果将是一条平直的线,画面呈现完全黑暗的状态,完全无法观察到干涉条纹。这种现象被称为相消干涉。



图2. 完全相消干涉

 

下图(图3)展示了相长干涉。假设蓝色波和红色波的波峰振幅均为1。当蓝色波与红色波完全重合(即同相)时,两者叠加形成下图中的黑线,其合成值为2。当我们用肉眼观察这种干涉图样时,会看到黑线的波峰处变亮,波谷处变暗,从而呈现出明暗相间的条纹变化。这种现象被称为相长干涉。


construtive interference

图2. 相长干涉

 

干涉仪的工作原理

干涉:如上所述,干涉仪的基本原理是干涉现象。当两列或多列光波重叠时,它们会结合形成新的干涉图样。干涉仪通过解读这些干涉图样来获取信息。

光源:产生干涉图样需要光源。现代干涉仪通常使用相干光源(如激光),这种光源发出的光波相位一致且波长恒定。

光束的分离与重合:干涉仪利用分束器将单束光分为两路或多路。这些光束沿不同路径传播,随后重新汇合以产生干涉图样。

光程差:分离后的光束沿不同路径传播,过程中可能涉及经由反射镜反射或穿过不同介质。这些路径的长度通常是可调节的。

检测与分析:对干涉图样进行观测和分析。图样的变化可反映光程差或其他被测物理特性的变化。

 

干涉仪为何如此重要?

干涉仪具有诸多优势。其首要优势在于高精度,这对光学元件的质量控制至关重要。光学领域要求极高的精确度;光学元件规格的微小偏差都可能对产品质量产生严重的负面影响,因此必须使用极高精度的测量仪器。干涉仪具备卓越的精度优势,可达波长的1/100(此处波长指632nm,这是干涉仪常用光源的波长),甚至可达波长的1/1000。我们可以做一个简单的计算:例如,通用标准干涉仪的波长为632.8纳米(nm),而632.8的百分之一约为6纳米(nm)。由此,我们可以直观地了解干涉仪所具备的高精度与准确性。

第二个显著优势是其非接触式测量特性。与其他采用接触式测量机制的轮廓仪相比,干涉仪的这一优点显而易见。对于接触式测量,如果被测物体非常脆弱,很难判断接触力是否会造成损伤;而干涉仪测量时是利用光束照射被测物体,因此在测量过程中避免了物理接触,从而消除了对物体表面造成损伤或破坏的风险。

第三,干涉仪的一大实用优势在于其测量速度快。使用探针进行测量时,无法一次性覆盖整个区域,往往需要划分多条扫描线进行测量;相比之下,干涉仪的测量速度更快,通常只需几秒钟即可完成测量。


干涉仪的用途——应用领域

干涉仪的应用范围十分广泛,包括但不限于:

长度测量:

在双光束干涉仪中,若介质折射率均匀且恒定,干涉条纹的移动则由两束相干光几何光程差的变化引起。根据条纹移动的数目,可以对长度进行精确比对或绝对测量。迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)和法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer)曾被用于以镉红谱线波长为基准来定义国际米(长度单位)。

折射率测量:

当两束光的几何光程保持不变时,介质折射率的变化也会导致光程差改变,进而引起条纹移动。瑞利干涉仪(Rayleigh interferometer)便是一种典型的干涉仪,它通过观测条纹移动来实现折射率的相对测量。

波长测量:

法布里-珀罗干涉仪(或称法布里-珀罗标准具)被用于确定波长的主基准(即镉红谱线波长)以及若干次级波长标准,以便通过比对法测定其他谱线的波长。

光学元件检测:

特怀曼-格林干涉仪(Twyman-Green interferometer)是迈克尔逊干涉仪的一种变体,常用于检测平板、棱镜和透镜等光学元件的质量。当待检测的平板或棱镜置于特怀曼-格林(Twyman-Green)干涉仪的光路中时,该元件折射率或几何尺寸上的任何不均匀性都会反映在干涉图样中。若将透镜置于光路中,则可根据干涉图样分析透镜引起的波前畸变,从而评估透镜的波像差。

引力波测量:

干涉仪也可用于引力波探测(Saulson, 1994)。激光干涉引力波探测器的概念最早由前苏联科学家格尔岑施泰因(Gertsenshtein)和普斯托沃伊特(Pustovoit)于1962年提出。1969年,美国科学家韦斯(Weiss)和福沃德(Forward)分别在麻省理工学院(MIT)和休斯实验室(Hughes Laboratory)搭建了初步的测试系统(Weiss 1972)。迄今为止,激光干涉引力波探测器的研发历程已超过40年。目前的LIGO激光干涉实验宣称首次直接探测到了引力波(LIGO合作组 2016)。

 

干涉仪的类型

干涉仪可根据其结构形式分为多种类型。主要的干涉仪类型包括迈克尔逊(Michelson)干涉仪、特怀曼-格林(Twyman-Green,简称T-G)干涉仪、斐索(Fizeau)干涉仪、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder,简称M-Z)干涉仪、法布里-珀罗(Fabry-Pérot,简称F-P)干涉仪、萨格纳克(Sagnec)干涉仪等。总体而言,大多数此类仪器属于双光束干涉仪,而法布里-珀罗(F-P)干涉仪则基于多光束干涉原理。本文将简要介绍各类干涉仪的结构配置、工作原理、特性及应用。


  • 迈克尔逊干涉仪

这是一种具有两个相互垂直臂的经典干涉仪设计,由阿尔伯特·A·迈克尔逊(Albert A. Michelson)发明。他最初开发该设备是为了进行著名的“迈克尔逊-莫雷实验”,试图证明地球的运动与一种被称为“以太”的理论物质有关——当时人们假设这种物质支撑着光波在宇宙中的传播。

迈克尔逊干涉仪主要由以下部件构成:光源(通常使用激光作为准单色光源,采用单横模激光束并近似为高斯光束较为有利)、至少两面反射镜、分束器(也可使用衍射光栅或半透半反镜)以及探测器。

其工作原理如下:如图4所示,光源发出的光射向位于点C的分束器(或半透半反镜)。分束器将光束分为两部分,使其沿相互垂直的方向传播:一部​​分光透射至反射镜1,另一部分则被反射至反射镜2的方向。这两束光在点C'处重新汇合,产生干涉图样并投射到点E的探测器上。只要经反射镜1反射的光束与经反射镜2反射的光束之间存在非零的光程差,就会产生相长干涉或相消干涉。由于这两束光来自同一光源,它们的相位必然相关联。当在激光光源与分束器之间放置待测透镜时,光束会发生扩散,此时在观察屏上可以看到由明暗相间的圆环或条纹组成的干涉图样。这一过程被称为“振幅分割干涉”。


/Michelson Interferometer

图4. 迈克耳孙干涉仪的装置与工作原理

 

迈克耳孙干涉仪的线性光学等效模型有助于理解光程差(图5)。反射镜 M1 被其虚像 M1I 代替——该虚像是在光源一侧透过分束器观察时所见的像;光源孔径则被其虚像 SI 代替——该虚像是在反射镜 M2 位置朝分束器观察时所见的像。由此探测到的干涉图样,与光源 SI 分别经由两个相距 △d=|d1-d2| 的反射镜(M2 和 M1I)反射后所产生的干涉图样完全相同。


/Michelson Interferometer

图5. 迈克尔逊干涉仪中因反射引起的光程差

 

从两面反射镜 M1 和 M2 反射的光之间的光程差为 |△2d|。相消干涉和相长干涉的条件方程如下:

 

相消干涉:|△2d| = nλ,n = 0, 1, 2, 3, 4, ...

相长干涉:|△2d| = (n + 1/2)λ


如果两面反射镜经过精确调整,使其镜面相互垂直,则干涉条纹将呈现为一系列同心圆环。每个圆环对应一个相对于反射镜 M1 法线的不同观察角度,这类条纹被称为“等倾干涉条纹”。若使用点光源,条纹呈圆形;若干涉仪入射的是平行光束,则形成等厚干涉条纹;若两镜面之间存在一定倾角,条纹则呈直线或圆锥曲线形状。在光波干涉过程中,能量会发生重新分布:相消干涉位置的光能转移至相长干涉位置,而总能量始终保持守恒。


Michelson interferometer interference patterns

图6. 迈克尔逊干涉仪的干涉条纹图样

请注意,在干涉过程中,两束光通过分束器的次数是不同的。从右侧反射镜反射回来的光束仅通过分束器一次,而从上方反射镜反射回来的光束则通过分束器三次。这将导致两束光之间产生光程差。对于单色光干涉而言,这无关紧要,因为可以通过调节干涉臂的长度来补偿这种差异;但对于多色光,由于不同颜色的光在介质中存在色散,通常需要在右侧平面镜的光路上增加一块补偿板。使用与分束器材料和厚度相同的补偿板,可以消除由这一因素引起的光程差,同时补偿板还能补偿因温度变化带来的影响。

迈克尔逊干涉仪常用于测量微小长度、折射率、风场与温度分布以及光波波长。此外,迈克尔逊干涉仪也是激光干涉引力波天文台(LIGO)的基础。


  • 特怀曼-格林干涉仪

Twyman-Green干涉仪由英国物理学家Frank Twyman和Alfred Green于1916年发明。他们的目标是改进迈克尔逊(Michelson)干涉仪,使其能够测量更大尺寸的光束,从而提高测量精度。该干涉仪的一个主要优点是,它无需比较两个相邻的光波前,即可直接测量光波前的偏差。

Twyman-Green干涉仪可视为迈克尔逊干涉仪的一种变体,因为两者的光学布局非常相似:Twyman-Green干涉仪同样包含光源、分束器和两面反射镜。但在Twyman-Green干涉仪中,来自光源(通常为单波长激光器)的光束经过准直和扩束,形成较大的光束直径;这意味着Twyman-Green干涉仪能够同时测量整个光波前的偏差,而不仅仅是逐点测量。分束器将光束分为两部分:参考光束和测试光束。“参考光束”被引导至高质量的参考反射镜,“测试光束”则被引导至被测表面。通过使用发散透镜或扩束器,可以调整测试光波前的形状,使其与被测表面的凹凸曲率相匹配。


Twyman-Green Interferometer

图7. Twyman-Green干涉仪——基本装置与干涉图样

 

Twyman-Green干涉仪与迈克尔逊(Michelson)干涉仪的第二个区别在于,Twyman-Green干涉仪包含用于校正像差的透镜;第三个区别在于,Twyman-Green干涉仪不使用补偿板。

Twyman-Green干涉仪与迈克尔逊干涉仪的工作原理相同:两臂之间的光程差在探测器上形成干涉图样。通过有意使被测物体或参考镜发生微小倾斜(例如转动测微螺杆),可以获得具有合适间距的规则条纹干涉图样。如果被测表面与参考表面同样精密,这些条纹将呈现为完美的直线;若表面形状存在缺陷,则会导致条纹发生畸变(即斐索曲线/Fizeau curves)。

Twyman-Green干涉仪的关键参数包括光源波长、分束器反射率以及干涉图样的分辨率。这些参数均会影响干涉仪的性能。例如,光源波长越短,分辨率越高;反射率越高,干涉图样越清晰明显。

Twyman-Green干涉仪可分为静态和动态两种类型。在静态干涉仪的测量过程中,光源、干涉仪及被测物体均保持静止;而动态干涉仪允许在测量过程中改变光源或被测物体的位置,从而实现动态测量。

Twyman-Green干涉仪常用于检测透镜、反射镜和望远镜等光学系统的质量,并量化这些系统中存在的波前像差。通过测量干涉仪产生的干涉图样中的相位变化,它们可用于测试材料特性(如样品中的应力与应变)。此外,它们还被用于高分辨率显微成像,以及测量微小颗粒和其他结构的尺寸与形状。


  • 斐索干涉仪

斐索(Fizeau)干涉仪是特怀曼-格林(Twyman-Green)干涉仪的一种简化形式,同样用于表征光学表面。斐索干涉仪是由法国物理学家伊波利特·斐索(Hippolyte Fizeau)发明的光学仪器,其结构包含两个反射面。它是测量光学元件及系统质量的常用工具,测量光学元件面形便是其典型应用。在测量过程中,将一个高精度的参考元件置于被测样品上方,从而利用测试表面与参考表面反射光之间的干涉效应进行测量。总体而言,斐索干涉仪能够以纳米级精度表征光学表面,为元件制造提供指导,辅助系统装调,并验证系统性能。


Fizeau Interferometer

图8. 斐索(Fizeau)干涉仪的装置示意图,其中G为分束器,P为参考平晶,放置在待测样品S的上方。

 

其优点在于,干涉仅发生在两个近距离放置的元件之间,且只需小心调节这两者间的相对距离即可。例如,分束器的方位并不关键。相比之下,特怀曼-格林(Twyman–Green)干涉仪则更为灵活,例如在针对不同反射率的待测样品优化条纹对比度方面。


  • 马赫-曾德尔干涉仪

马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer)是一种用于观测两束准直光束之间相对相位差变化的干涉仪。该仪器以德国物理学家路德维希·马赫(恩斯特·马赫之子)和路德维希·曾德尔的名字命名。

马赫-曾德尔干涉仪包含两个分束器和两个反射镜。第一个分束器将入射光分为两束光程相等的光束(光程定义为光在介质中传播的距离与该介质折射率的乘积)。这两束光经反射镜反射后,由第二个分束器重新汇合,并被分配到两个探测器上。

在深入探讨马赫-曾德尔干涉仪的工作原理之前,我们必须了解以下事实:当波从折射率较低的介质传播并从折射率较高的介质表面反射时,会发生相位变化;反之则不会发生这种相位变化。理想反射镜的折射率可视为无穷大,因此光经反射镜反射后,其相位会改变半个波长。当光束从一种介质进入另一种介质时,其传播方向会因折射而改变,但在两种介质的交界面上不会发生相位变化。

我们将两个探测器分别称为探测器A和探测器B,光传播的路径分别为路径C和路径D。首先考虑分别沿路径C和路径D进入探测器A的光。根据上述规则计算可知,沿路径C和路径D到达探测器A的光是同相的,因此进入探测器A的光会发生相长干涉。

再考虑到达探测器B的光,沿路径C传播的光存在半个波长(λ/2)的程差,因此光波会相互抵消,导致没有光进入探测器B。

现在,在路径C或路径D中放置一个待测样品。该样品会引入相位变化,从而改变上述两束光之间原有的相位关系,使得探测器B处不再发生完全相消干涉。通过测量进入探测器A和探测器B的光量,即可计算出由样品产生的相位差。



Mach-Zehnder Interferometer

图9. 在马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)中,光束沿两条独立路径传播并抵达两个探测器。

 

马赫-曾德尔干涉仪的优势在于,两束光之间的间距可根据需要任意设定,且光束仅穿过测试区域一次。此外,该装置还能产生白光干涉条纹,并使条纹定域在与测试区域相同的平面上。

马赫-曾德尔干涉仪的应用范围广泛,包括用于光调制器(通过改变光相位将信息编码到光束上)、通过观测干涉图样的变化来测量温度、压力或折射率的微小变化,以及信号处理等领域。此外,马赫-曾德尔干涉仪也应用于量子力学领域,用于演示量子叠加和量子纠缠原理的实验。


  • 法布里-珀罗干涉仪

法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Pérot Interferometer,也称为法布里-珀罗谐振腔)以查尔斯·法布里(Charles Fabry)和阿尔弗雷德·珀罗(Alfred Pérot)的名字命名,是一种由两块平行的平面玻璃板组成的光学谐振腔。法布里-珀罗干涉仪可用作高分辨率光谱仪,能够高精度地检测和分辨透射光谱的精细特征,因此常用于确定激光谐振腔的谐振模式。

法布里-珀罗干涉仪的工作原理基于多光束干涉;当多束相干光相互作用时,便会形成干涉图样。

两块玻璃板(或反射镜)之间留有空气隙,其内表面镀有高反射膜(反射率通常约为80%,这意味着玻璃板同时也透射部分光线)。该设计的一种整体式变体是在单块玻璃板的两个表面上都镀有反射膜。严格来说,法布里-珀罗干涉仪中的玻璃板或反射镜应为平面,但球面反射镜也很常见。其工作过程涉及玻璃板之间的大量反射;根据光程差和光波长的不同,每一次反射都会与之前的反射光束形成相长干涉或相消干涉。大量干涉光波的叠加赋予了干涉仪极高的分辨率,这类似于衍射光栅利用多条狭缝来提高分辨率的原理。

玻璃板垂直于光轴放置。图10展示了法布里-珀罗干涉仪的工作方式。来自光源O的光束以角度α入射到干涉仪上。由于玻璃板之间发生多次部分反射,一组平行的透射光束从玻璃板的另一端射出。这些光束随后会聚在会聚透镜B焦平面上的C点。同样地,光源上其他点发出的、以相同角度α入射的光束,也会会聚于C点。这将在屏幕上形成等间距的同心干涉条纹。



Fabry-Pérot Interferometer

图10. 法布里-珀罗干涉仪

 

 

C点处出现极大值或极小值的条件可利用下列方程计算:

 

 

极大值:△ = 2tcosα = mλ

极小值:△ = 2tcosα = (m + 1/2)λ


其中,t 为空气隙厚度,α 为入射角,λ 为光源波长,m 为整数。

通过调节空气隙厚度 t,可以选择特定波长的光进行透射或反射。

法布里-珀罗(Fabry-Pérot)干涉仪的精细度(F)是衡量其光谱分辨能力的指标。反射率越高,干涉仪的精细度就越高,透射峰也就越尖锐。

与迈克尔逊(Michelson)干涉仪相比,法布里-珀罗干涉仪凭借多次反射和干涉效应,能够实现更高的分辨率。除了在高分辨率光谱学中的应用外,法布里-珀罗干涉仪还可用于天文学研究(如恒星和星系等天体的特性),以及电信和其他领域,用于制造能够透射特定波长并阻挡其他波长的光学滤光片。高精细度的法布里-珀罗干涉仪常被用作参考腔及进行光谱分析。


  • 萨格纳克干涉仪

萨格纳克干涉仪(Sagnac Interferometer),也称为环形干涉仪,是一种利用光干涉原理来检测旋转的光学装置。该装置以法国物理学家乔治·萨格纳克(Georges Sagnac)的名字命名,因其在导航系统所用的环形激光陀螺仪和光纤陀螺仪中的应用而广为人知。乔治·萨格纳克(1869–1926)最初发明该装置时,旨在观测角速度与光学相位差之间的关联。萨格纳克干涉仪的工作原理基于萨格纳克效应(Sagnac Effect):当装置结构发生旋转时,沿相同路径反向传播的两束光在重新汇合形成干涉条纹时,会产生相位差(即两束光之间的相对相位偏移)。

萨格纳克干涉仪通常由分束器(半透半反镜)、三个角反射镜、光源和探测器组成;在某些情况下,沿环形路径传播的光也可以通过光纤进行引导。


Sagnac Inteferometer

图11. 萨格纳克(Sagnac)干涉仪的基本结构

 

光束被分为两束。这两束光沿环形路径反向(顺时针和逆时针)传播。反射镜或光纤引导光束沿环形路径行进。在完成环路传播后,两束光在分束器处重新汇合,形成干涉图样。萨格纳克干涉仪的核心原理在于:当干涉仪发生旋转时,沿不同方向传播的光束其相对速度会有所不同。对于观测者而言,当干涉仪旋转时,沿某一方向传播的光速会快于沿相反方向传播的光速。这两束光之间的速度差会导致相位差,进而引起干涉图样的变化。由于干涉图样会随旋转发生位移,因此干涉条纹的位移量与环路的旋转速率成正比。


Sagnac Inteferometer

图12. 萨格纳克(Sagnac)干涉仪中的旋转与干涉

 

当包括光源和条纹探测器在内的整个干涉仪以角速度 Ω rad/s 旋转时,可以观测到相对于静止干涉仪条纹位置的条纹移动 Δφ,该条纹移动的方程为:

 

 

Δφ=(4A*Ωrot)/λ0c


其中,A 为光路所包围的面积,λ0 为真空波长,c 为光在自由空间中的传播速度。

萨格纳克(Sagnac)干涉仪具有抗振动性能好以及能够控制干涉仪两臂绝对长度差等优点。萨格纳克干涉仪的应用包括用于精确测量旋转速率的导航级环形激光陀螺仪(RLG)和光纤陀螺仪(FOG);这些陀螺仪是飞机、舰船、潜艇及航天器惯性导航系统中的关键组件。此外,它还应用于地球物理学(测量地球自转及地震研究)、基础物理学(验证相对论原理及研究旋转动力学)以及稳定系统(用于摄像机及其他需要精确控制朝向的设备的稳定系统)。


Shalom EO 基于干涉仪的检测流程

在 Shalom EO,质量保证与客户信赖是我们秉持的核心价值观,这促使我们实施严格的质量控制程序。在包装和发货之前,每一件产品都会在我们的十万级(Class 100,000)洁净室内接受细致的检测。

利用干涉仪进行检测是我们质量控制流程中的关键环节。为确保检测结果的准确可靠,我们采用了业内公认的权威品牌——Zygo 生产的干涉仪。这些先进的仪器能够提供精确的测量数据,例如用于检测光学元件及组件的曲率半径和表面面形(平整度)。我们的所有检测工作均由 Shalom EO 专业的质量控制团队执行,该团队由一位在光学检测领域拥有逾 20 年专业经验的专家领导。

 


Zygo interferometer test Shlaom EO

图 13. 使用 Zygo 干涉仪测量超抛光表面的平整度

(熔融石英基片,直径 300mm,PV=0.101,波长 633nm)


Zygo interferometer test Shlaom EO

图14展示了使用Zygo干涉仪对钻孔光学元件进行的检测结果。

我们严格遵循一份详尽的操作手册,其中包含了关于干涉仪正确使用与维护的详细指南。此外,对干涉仪进行定期校准,确保了测量精度与可靠性的一致性。这种在检测过程中对精度与严谨性的执着追求,巩固了Shalom EO在光学行业中的卓越声誉。

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