干涉测量是一种利用光的波动性来进行检测的手段,待测点与参考点的光程差可以决定干涉强度,利用这个干涉强度变化,倒过来就可以解出面形、轮廓。
我们常用的干涉仪有以下几种:
1. 迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)
迈克尔逊干涉仪,是1881年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作,原本用来证明以太存在的仪器,但是最终通过实验确证明了不存在,他的光路如图所示:
图一
光源发出的光由分光器件分为两束,经过两个反射镜反射过后在CCD处交汇并形成干涉条纹,一般的干涉仪使用激光器作为光源将其中一个反射镜更换为待测样本,使用四步移项法就可以重构出样本的轮廓,因为接受样本反射光,所以一般多用于物体表面轮廓检测。通过将光源更换为连续光谱光源,可以有效的提升检测的纵向分辨率;通过在两个臂加入物镜,可以有效的提升检测的横向分辨率(我们把这种迈克尔逊干涉仪称为linnik干涉仪)。
图二:锐光凯奇搭建的白光迈克尔逊结构
图三:锐光凯奇搭建的白光LINNIK结构
2. 马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)
马赫-曾德尔干涉仪(马赫干涉仪)是德国物理学家曾德尔首先于1891年提出,后来马赫于1892年发表论文对这构想加以改良。他的光路图如图所示:
图四
马赫干涉仪与迈克尔逊干涉仪明显不同,它是将两束光分开之后再由另一个合束镜合束,从而交汇在ccd靶面上,形成干涉条纹,相同的是干涉之后的光强受两束光光程差影响,并且同样可以通过使用宽谱光源和物镜来提升纵向、横向分辨率。马赫干涉仪一般用于全息测量和一些气体、液体的折射率测量。
图五:锐光凯奇搭建的白光马赫干涉仪、全息系统
3. 萨格纳克(Sagnac)干涉仪
萨格纳克干涉仪是1913年萨格纳克发明的一种环形干涉仪,将光源分成两束过后,让他们沿着同一路径不同方向旋转过后交汇产生干涉,当环路平面旋转时,条纹会发生移动,它的光路图如图所示:
图六
由于萨格纳克干涉仪的特殊性,一般搭建萨格纳克干涉仪的光路往往采用光纤,当环路平面旋转时,可以通过增加光纤圈数来提高分辨率。这一技术可以用于制造激光陀螺仪,三维的激光陀螺仪可以用于飞机导航。
4. 法布里-珀罗干涉仪(Fabry–Pérot interferometer)
法布里-珀罗干涉仪(也称F-P干涉仪,也称法布里-佩罗谐振腔),1897年由法国物理学家法布里与珀罗发明,它的光路图如图所示:
图七
F-P干涉仪主要由两块平行的玻璃平板组成,光线以某一个角度入射,会在谐振腔里面来回反射和折射,当两个反射面之间的距离和角度固定时,它被称作法布里-佩罗标准具。对于法布里-佩罗标准具而言,光程差由光的频率、光线的折射角、谐振腔折射率以及反射面间距决定,当相邻两束光线之间的相位差为时2nΠ,干涉相长;当相邻两束光线之间的相位差为2(n+1)Π时,干涉相消。
对于同一F-P标准据而言,当光线的折射角固定时,光程差就和入射光频率唯一相关,当使用对应频率光入射时,会有非常高的干涉强度。F-P干涉仪主要应用在精密测量领域以及光谱领域。
以上是4总常见的干涉仪的基本形式,在具体应用的时候结构可能会有所不同,例如在做表面检测时,由于干涉非常敏感,采用迈克尔逊干涉仪两个臂之间可能引入不同的误差,从而影响到测量。斐索干涉仪将两个干涉臂放在一起,这样就可以降低干扰,这种类似的结构我们也称为共路干涉仪,如图所示:
图八
图九:锐光凯奇搭建的米劳干涉仪及其干涉图(原理和斐索类似)
除了斐索干涉仪之外,还有剪切干涉仪也是如此,不同的是剪切干涉仪往往用来检测入射光波前的平面度。
图十