激光干涉仪原理、特点及实验方法全解析——OptoSigma/西格玛光机/Sigmakoki出品

干涉仪具有分辨率小于1微米、非接触（非破坏）测量以及面（2维）测量等特点。其应用实例包括面精度测量、测长仪、速度计／振动仪等。市场上多数干涉测量装置由光学干涉部分和信号解析部分组成，采用先进电信号处理技术可实现高分辨率和宽测量范围，但这里重点介绍光学部分，虽可观测范围有限，但能用于基础实验和理论验证。干涉技术不仅用于干涉计测，在很多领域广泛应用，相关内容可作基础实验参考。

使用干涉原理的应用例有外差干涉仪、激光陀螺、光学相干断层扫描仪、时间分辨干涉法、全息技术等。

西格玛光机干涉仪原理/OptoSigma干涉仪原理/ Sigmakoki干涉仪原理

把像激光这样的周期很规则的光分成2束后重新合成到一起就会观测到干涉现象。这是一种波的叠加，它会出现波峰和波峰，或波谷和波谷的重叠，而导致周期性的明暗条纹。这个干涉条纹，实际显示的是两束光的光程差。条纹的周期反映了一个波长长度（折返光路是其1半）的相位差。但是，不能根据干涉条纹识别波长整倍数部分的差异，所以实际观测到的是小于波长整倍数部分的相位差，或连续的相位变化。选用He-Ne激光作为光源时，其波长为632.8mm，在折返式干涉仪中，一个条纹仅相当于约0.3微米。所以，应用干涉原理，可以测量微小的位移，或变形。干涉仪的感度好，容易得到高精度的测量结果。但同时，也容易受到振动，或空气扰动等的影响。因此，干涉实验装置通常会设置在防振平台上，并置于暗室之中的。

图1：干涉仪原理及干涉光路图

用干涉仪测量面精度时，在光路的一侧放置被测样品，让被测面的反射波面和另一个来自基准面的波面叠加。这样，我就会得到一个反映了被测面形状的弯曲的干涉条纹。我们可从此干涉条纹的弯曲程度推测出被测面的面精度。

西格玛光机干涉仪/OptoSigma干涉仪实验方法中，调整反射镜的方位和俯仰，可以改变干涉条纹的方向。进一步调整，扩大条纹的间隔，使其整体成为一个均一亮度的光斑。

西格玛光机干涉仪/OptoSigma/ Sigmakoki干涉仪实验方法：条纹的控制

调整反射镜的方位和俯仰，可以改变干涉条纹的方向。进一步调整，扩大条纹的间隔，使其整体成为一个均一亮度的光斑。根据公式：

图2：西格玛光机干涉仪/OptoSigma干涉仪实验方法对条纹的控制效果

西格玛光机干涉仪/OptoSigma/ Sigmakoki干涉仪实验方法：相位差

在两个光束平行（0个干涉条纹）时，在光轴方向轻轻触摸（推）某个反射镜的话，光斑的亮度会剧烈变化。光斑最亮时，说明两路光束的相位正好一致，最暗的位置表示其相位差为半个波长。

每推动反射镜移动半个波长的距离，其明暗交替出现一次。

图3：西格玛光机干涉仪/OptoSigma干涉仪实验方法中相位差的示意图

 

西格玛光机干涉仪/OptoSigma/ Sigmakoki干涉仪实验方法：空气扰动

很小心地把手伸到激光干涉仪的某一光路下方，我们也可以观测到干涉条纹的波动。这是因为受手掌温度的影响，空气被加热，引起空气折射率发生了变化的缘故。手掌离光路越近，可以发现干涉条纹的扰动也越大。

图4：西格玛光机干涉仪/OptoSigma干涉仪实验方法中空气扰动影响示意图

西格玛光机干涉仪/OptoSigma/ Sigmakoki干涉仪实验方法：反射镜变形

稍微把固定激光干涉仪的反射镜的紧定螺钉进一步拧一下，我们也可观测到干涉条纹的变化。这个拧紧螺钉的动作，会导致反射镜内部的应力变化而引起镜面精度的变化。使用激光干涉仪，我们通过干涉条纹的变化，可观测到通常无法直接感知的微小变形。

图5：西格玛光机干涉仪/OptoSigma干涉仪实验方法中反射镜变形影响示意图