邁克耳孫干涉儀

邁克耳孫干涉儀（英語：Michelson interferometer）是光學干涉儀中最常見的一種，其發明者是美國物理學家阿爾伯特·邁克耳孫。邁克耳孫干涉儀的原理是一束入射光分為兩束後各自被對應的平面鏡反射回來，這兩束光從而能夠發生干涉。干涉中兩束光的不同光程可以通過調節干涉臂長度以及改變介質的折射率來實現，從而能夠形成不同的干涉圖樣。邁克耳孫和愛德華·莫雷使用這種干涉儀於1887年進行了邁克耳孫-莫雷實驗，證實了以太的不存在，啟發了狹義相對論。

配置[編輯]

如右圖所示，在一台標準的邁克耳孫干涉儀中從光源到光檢測器之間存在有兩條光路：一束光被光學分束器（例如一面半透半反鏡）反射後入射到上方的平面鏡後反射回分束器，之後透射過分束器被光檢測器接收；另一束光透射過分束器後入射到右側的平面鏡，之後反射回分束器後再次被反射到光檢測器上。注意到兩束光在干涉過程中穿過分束器的次數是不同的，從右側平面鏡反射的那束光只穿過一次分束器，而從上方平面鏡反射的那束光要經過三次，這會導致兩者光程差的變化。對於單色光的干涉而言這無所謂，因為這種差異可以通過調節干涉臂長度來補償；但對於複色光而言由於在介質中不同色光存在色散，這往往需要在右側平面鏡的路徑上加一塊和分束器同樣材料和厚度的補償板，從而能夠消除由這個因素導致的光程差。

在干涉過程中，如果兩束光的光程差是光波長的整數倍（0，1，2……），在光檢測器上得到的是相長的干涉信號；如果光程差是半波長的奇數倍（0.5，1.5，2.5……），在光檢測器上得到的是相消的干涉信號。當兩面平面鏡嚴格垂直時為等傾干涉，其干涉光可以在屏幕上接收為圓環形的等傾條紋；而當兩面平面鏡不嚴格垂直時是等厚干涉，可以得到以等厚交線為中心對稱的直等厚條紋。在光波的干涉中能量被重新分布，相消干涉位置的光能量被轉移到相長干涉的位置，而總能量總保持守恆。

19世紀末人們通過使用氣體放電管、濾色鏡、狹縫或針孔成功得到了邁克耳孫干涉儀的干涉條紋，而在一個版本的邁克耳孫-莫雷實驗中採用的光源是星光。星光不具有時間相干性，但由於其從同一個點光源發出而具有足夠好的空間相干性，從而可以作為邁克耳孫干涉儀的有效光源。

應用[編輯]

邁克耳孫干涉儀的最著名應用即是它在邁克耳孫-莫雷實驗中對以太風觀測中所得到的零結果，這朵19世紀末經典物理學天空中的烏云為狹義相對論的基本假設提供了實驗依據。除此之外，由於激光干涉儀能夠非常精確地測量干涉中的光程差，在當今的引力波探測中邁克耳孫干涉儀以及其他種類的干涉儀都得到了相當廣泛的應用。激光干涉引力波天文台等諸多地面激光干涉引力波探測器的基本原理就是通過邁克耳孫干涉儀來測量由引力波引起的激光的光程變化，而在計劃中的激光干涉空間天線中，應用邁克耳孫干涉儀原理的基本構想也已經被提出。邁克耳孫干涉儀還被應用於尋找太陽系外行星的探測中，雖然在這種探測中馬赫-曾特干涉儀的應用更加廣泛。邁克耳孫干涉儀還在延遲干涉儀，即光學差分相移鍵控解調器（Optical DPSK）的製造中有所應用，這種解調器可以在波分復用網絡中將相位調製轉換成振幅調製。

非線性邁克耳孫干涉儀[編輯]

在所謂非線性邁克耳孫干涉儀中，標準的邁克耳孫干涉儀的其中一條干涉臂上的平面鏡被替換為一個Gires-Tournois干涉儀或Gires-Tournois標準具，從Gires-Tournois標準具出射的光場和另一條干涉臂上的反射光場發生干涉。由於Gires-Tournois標準具導致的相位變化和光波長有關，並且具有階躍的響應，非線性邁克耳孫干涉儀有很多特殊的應用，例如光纖通信中的光學梳狀濾波器。另外，邁克耳孫干涉儀的兩條干涉臂上的平面鏡都可以被替換為Gires-Tournois標準具，此時的非線性邁克耳孫干涉儀會產生更強的非線性效應，並可以用來製造反對稱的光學梳狀濾波器。

參考資料[編輯]

Max Born; Emil Wolf. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light (7th Edition) (Hardcover). Cambridge University Press. October 13, 1999: 334 [2008-07-08]. ISBN 0521642221. （原始内容存档于2021-02-20）（英语）. （《光學原理：光的傳播、干涉和衍射的電磁理論》）
（法文） F. Gires, and P. Tournois (1964). "Interféromètre utilisable pour la compression d'impulsions lumineuses modulées en fréquence". C. R. Acad. Sci. Paris 258: 6112–6115. (《應用於一束頻率調製的光脈衝的脈衝壓縮的干涉儀》)

外部連結[編輯]