一文读懂干涉仪

　　您是否曾经做过一种当下报纸难题，您必须使用两个非常相似的卡通来找到缺失的细节？解决这些问题的快速方法是切出两个图像，将一个图像放置在另一个图像的上方，然后在纸上照亮光线。这听起来像是在作弊，但这实际上是科学：您正在使用一幅图像的光线模式来显示另一幅图像的差异。科学家使用一种非常类似的过程称为干涉测量法，通过比较光束或无线电束，以极高的精度测量微小物体。

　　激光干涉仪。激光束分为两部分。一部分直接进入检测器，而另一部分则发生某种变化。通过在末端再次比较两个光束，您可以非常精确地测量变化的程度。图片由NASA格伦研究中心（NASA-GRC）提供。

　　什么是干涉？

　　要了解干涉测量法，您需要了解干涉。在日常生活中，干扰只是意味着妨碍或干预，但在物理学中，干扰具有更具体的含义。当两个携带能量的波相遇并重叠时会发生干扰。它们携带的能量混合在一起，因此，您得到的不是两个波，而是第三波，其形状和大小取决于原始两波的模式。当波像这样合并时，该过程称为叠加。

　　如果您曾经坐在浴缸中挥舞着波浪，那么您会发现运动中的干涉和叠加。如果来回推动您的手，您可以将能量波从水的中心传递到浴缸的壁上。当波浪到达墙壁时，它们从硬表面弹回的大小或多或少没有改变，但速度相反。每次波浪都会从浴缸中反射出来，就像您在墙上踢了一个橡皮球一样。一旦海浪回到您的手所在的位置，您可以通过与海浪同步移动来使海浪更大。实际上，您将创建新的波形，将其添加到原始波形中并增加其峰值（振幅）的大小。当波加在一起形成更大的波时，科学家称之为相长 干涉。如果以其他方式移动手，则可以创建与原始波浪不同步的波浪。当这些新波添加到原始波中时，它们会从它们中减去能量并使它们变小。这就是科学家所说的破坏性干涉。

　　两种类型的干扰。 相长干涉意味着将两个或多个波组合起来以获得更大的第三波。新波具有相同的波长和频率，但振幅更大（峰值更高）。 破坏性干扰是指波相减并抵消。一波的峰值被另一波的波谷抵消。

　　一个波与另一个波同步的程度称为其相位。如果两个相同的波“同相”，则意味着它们的峰对齐，因此，如果将它们加在一起，我们将得到一个新的波，其大小是原始波的两倍，但在其他方面却完全相同。同样，如果两个波完全异相（我们称之为反相），则一个波的峰值与另一个波的波谷恰好重合，因此将波加在一起不会给您带来任何好处。

　　在这两个极端之间，还有其他各种可能性，其中一部分波动是 与对方同相。像这样添加两个波浪，将产生第三个波浪，其波峰和波谷的形态各不相同。将这样的波浪照射到屏幕上，您会得到一种称为干涉条纹的亮暗区域特征图案。该图案是您使用干涉仪研究和测量的图案。

　　干涉仪如何工作？

　　干涉仪是一种非常精确的科学仪器，旨在以超乎寻常的精确度测量事物。

　　干涉仪的基本原理是将一束光（或其他类型的电磁辐射）用所谓的分光镜（也称为半透明镜或半镜）将其分成两半。这只是一块表面涂有很薄银的玻璃。如果你向它照射光线，一半的光线直接通过，一半的光线反射回来--所以分光镜就像一块普通玻璃和一面镜子之间的交叉。其中一束光（称为参考光束）照射到镜子上，然后从那里照射到屏幕、相机或其他探测器上。另一束光照到或通过您要测量的东西，照到第二面镜子上，再通过分光镜，照到同一个屏幕上。这第二道光束与第一道光束有一段额外的距离（或以其他一些稍微不同的方式），所以它的步幅会稍微偏离（相位偏离）。

　一个基本的（迈克尔逊）干涉仪是如何工作的。如果我们把绿色光束作为参考光束，我们会让蓝色光束受到某种我们想要测量的变化。干涉仪将两束光结合在一起，屏幕上出现的干扰边缘是它们之间差异的视觉表现。

　　当两道光束在屏幕上相遇时，它们会发生重叠和干涉，它们之间的相位差就会形成一个亮区和暗区的图案（换句话说，就是一组干涉条纹）。亮区是两个光束相加（建设性）而变得更亮的地方；暗区是两个光束相减（破坏性）的地方。干扰的确切模式取决于其中一束光束所走过的不同方式或额外距离。

　　干扰边缘不是落在一个简单的屏幕上，而是通常将其导入相机，以产生一个称为干涉图的永久图像。在另一种安排中，干涉图是由一个探测器（如老式数码相机中使用的CCD图像传感器）制作的，该探测器将波动的光学干涉条纹模式转换为电信号，可以非常容易地用计算机进行分析。

　　干涉仪有哪些不同类型？

　　干涉仪在19世纪末开始流行，有几种不同的类型，每种都大致基于我们上面概述的原理，并以完善该原理的科学家命名。六种常见的类型是Michelson, Fabry-Perot, Fizeau, Mach-Zehnder, Sagnac和Twyman-Green干涉仪。

　　由美国国家标准技术研究院的塞缪尔·斯特拉顿博士于1907年设计的Fabry-Perot型干涉仪，用于测量霓虹灯的波长。图片由美国国家标准与技术研究院数字收藏所提供

　　Michelson干涉仪（以Albert Michelson命名，1853年-1931年），因为它在1881年着名的Michelson-Morley实验中发挥的作用。当时，Michelson和他的同事Edward Morley (1838-1923)推翻了一种被称为 “乙醚 ”的神秘隐形液体的存在，物理学家们认为这种液体充满了空洞的空间。Michelson-Morley实验是爱因斯坦相对论的重要踏脚石。

　　Fabry-Perot干涉仪（1897年由1867-1945年的Charles Fabry和1863-1925年的Alfred Perot发明），也被称为标准工具，由迈克尔逊干涉仪演变而来。它可以使边缘更清晰、更锐利，更容易观察和测量。

　　Fizeau干涉仪（以法国物理学家Hippolyte Fizeau命名，1819-1896年），它是另一种变体，并且通常比Fabry-Perot更容易使用，被广泛用于光学和工程测量。

　　Mach-Zehnder干涉仪（由德国人Ludwig Mach和瑞士人Ludwig Zehnder发明）使用两个分束器代替一个分束器，产生两个输出光束，可以分别进行分析。它广泛应用于流体力学和空气动力学，这是它最初开发的领域。

　　Sagnac干涉仪（以法国物理学家Georges Sagnac的名字命名）将光分成两束，以相反的方向绕着一个封闭的环形或环形（因此它的另一个名字是环形干涉仪）。它广泛应用于导航设备中，如环形激光陀螺仪（使用激光束代替旋转轮的光学版陀螺仪）。

　　Twyman-Green干涉仪（由Frank Twyman和Arthur Green于1916年开发）是一种改进的Michelson,主要用于测试光学设备。

　　大多数现代干涉仪都使用激光，因为它比普通光更有规律，更精确，并且产生相干光束（其中所有的光波都以相位方式传播）。干涉仪的先驱们没有机会使用激光（直到20世纪中期才开发出来激光），所以他们不得不使用通过狭缝和透镜的光束来代替。

光纤干涉仪。大多数干涉仪通过露天的光束，但当地的温度和压力变化有时会成为误差的来源。激光（红色，12）通过透镜（灰色，16a/b）将其光束射入一对光纤电缆中。其中一条（蓝色，18）成为参考光束，将其光线直接反射到屏幕（橙色，22）上。另一个（绿色，20）允许其光束从被测量的东西（如振动表面）反射到第三条电缆（绿色，30）。参考光束和反射光束相遇，并以通常的方式在屏幕上进行干涉。作品由美国专利商标局提供。

　　干涉仪的精度如何？

　　先进的干涉仪可以测量1纳米以内的距离（十亿分之一米，大约是10个氢原子的宽度），但是像其他任何类型的测量一样，它也容易出错。误差的最大来源可能是激光波长的变化，这取决于激光穿过的材料的折射率。空气中的温度，压力，湿度和不同气体的浓度都会改变其折射率，从而改变通过它的激光的波长，并可能导致测量误差。

　　幸运的是，好的干涉仪可以弥补这一点。有些使用单独的激光来测量空气的折射率，而另一些使用激光来测量空气的温度，压力，湿度，间接计算对折射率的影响；无论哪种方式，都可以校正测量值，并将总误差降低到百万分之一或二分之一。

　　干涉仪有什么用？

　　干涉仪广泛用于各种科学和工程应用中，以进行精确测量。通过在物体上扫描干涉仪，您还可以绘制非常详细的表面图。

　　正在使用的干涉测量法：这些加利福尼亚州长谷的3D地形图是使用航天器使用称为雷达干涉测量法的技术制成的，其中微波束从地球的轮廓反射出来，然后重新组合。图片由NASA喷气推进实验室（NASA-JPL）提供。

　　光学（基于光的）干涉仪所产生的干涉边缘是由光波以微小的步幅传播而产生的。由于可见光的波长在数百纳米，理论上干涉仪可以测量比人的头发小几百倍的长度。实际上，日常实验室的限制有时会使这种精度难以实现。例如，Albert Michelson发现他的乙醚检测仪器受到了大约三分之一公里外的交通流量的影响！

　　天文学家还使用干涉仪来组合来自望远镜的信号，因此它们的工作方式与更大、更强大的仪器一样，可以深入太空。其中一些干涉仪使用光波工作；另一些则使用无线电波（类似于光波，但波长更长，频率更低）。

　　凯克干涉仪。凯克干涉仪 天文学家已经将夏威夷莫纳克亚（Mauna Kea）上这些圆顶上的两台10米（33英尺）的光学望远镜连接起来，使之成为一个有效的、更强大的单一望远镜。照片由美国宇航局喷气推进实验室（NASA-JPL）提供。

　　干涉测量法还帮助我们弄清引力的秘密。2017年，三位美国物理学家（Rainer Weiss,Barry Barish和Kip Thorne）因发现引力波（“时空涟漪”）而获得了诺贝尔物理学奖，该发现最初是阿尔伯特·爱因斯坦早在一个多世纪前就预测到的。

　　他们的实验叫LIGO（激光干涉仪引力波观测站），使用两个非常大的激光干涉仪，臂长4公里（2.5英里），分别位于美国两端相距3000公里（1800英里）的两个不同地方（华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿）。

　　此外，两个相对较新的应用是生物传感装置（使用所谓的质子干涉仪）和量子计算机。

　　文章翻译自explainthatstuff