邁克爾孫干涉儀的應(yīng)用研究

劉建靜

(天津科技大學(xué)理學(xué)院　天津　300222)

邁克爾孫干涉儀的應(yīng)用研究

劉建靜

(天津科技大學(xué)理學(xué)院天津300222)

摘 要：在近代物理學(xué)和近代計(jì)量科學(xué)中，邁克爾孫干涉儀作為一種精密光學(xué)儀器，得到了廣泛應(yīng)用．本文主要介紹了邁克爾孫干涉儀在測量全息干板厚度、彈光系數(shù)、隱失場等方面的應(yīng)用．

關(guān)鍵詞：邁克爾孫干涉儀光纖邁克爾孫干涉儀隱失場彈光系數(shù)

1引言

邁克爾孫干涉儀是1883年美國物理學(xué)家邁克爾孫和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設(shè)計(jì)制造出來的精密光學(xué)儀器，在物理學(xué)發(fā)展史上具有重要地位．現(xiàn)在，邁克爾孫干涉儀已經(jīng)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中重要的光學(xué)實(shí)驗(yàn)之一．

在近代物理學(xué)和近代計(jì)量科學(xué)中，邁克爾孫干涉儀具有重大的影響，得到了廣泛應(yīng)用，特別是20世紀(jì)60年代激光出現(xiàn)以后，各種應(yīng)用就更為廣泛．它不僅可以觀察光的等厚、等傾干涉現(xiàn)象，精密地測定光波波長、微小長度、光源的相干長度，還可以測量氣體、液體的折射率等．下面就向大家簡單介紹一些利用邁克爾孫干涉儀及其原理進(jìn)行的測量．

2應(yīng)用

2.1用邁克爾孫干涉儀測量全息干板膜厚度

全息干板膜的厚度是全息干板的一個(gè)重要參數(shù)，對于其在全息技術(shù)中的應(yīng)用具有重要的意義．全息干板膜的厚度一般從幾微米到幾十微米不等，對于普通橢偏測厚儀來說太厚，如果使用螺旋測微器測量則誤差太大．文獻(xiàn)[1]等選擇用邁克爾孫干涉儀測量了全息干板膜的厚度．實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1．在實(shí)驗(yàn)中選用白光光源作為入射光源，當(dāng)邁克爾孫干涉儀的兩臂光程接近相等時(shí)，會(huì)有白光干涉條紋出現(xiàn)．實(shí)驗(yàn)時(shí)首先不插入全息干板，直接調(diào)出彩色干涉條紋．然后將一塊全息干板上的薄膜刮去半邊，并將其置于M2鏡前．調(diào)節(jié)M1向后方移動(dòng)，在此過程中又會(huì)出現(xiàn)兩次彩色干涉條紋，這是因?yàn)楦砂逵心げ糠趾蜔o膜部分厚度不同，所以光程差為零時(shí)對應(yīng)的M1的位置也不同．根據(jù)x2-x1=(n1-1)d即可求出厚度．

圖1　實(shí)驗(yàn)原理圖

2.2邁克爾孫干涉儀測量超聲波波長

2.3基于邁克爾孫干涉的形貌測量

電子散斑干涉測量技術(shù)具有非接觸、全場性、精度高和隔震要求低的特點(diǎn)，被廣泛用于動(dòng)態(tài)或靜態(tài)物體變形測量．電子散斑干涉中物體偏轉(zhuǎn)微小角度可引入散斑載波條紋，結(jié)合傅里葉變換法進(jìn)行位移測量，具有靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[3]．采用典型的邁克爾孫干涉光路，利用散斑干涉原理測量物體的形貌的基本原理是：物體所在平面偏轉(zhuǎn)一微小角度后，物面與參考面間形成等效的空氣楔，產(chǎn)生等厚干涉．在物體表面引入包含物體高度信息的載波干涉條紋，用CCD采集該載波條紋圖，利用傅里葉變換法可解調(diào)出物體高度的位相信息，從而實(shí)現(xiàn)物體的形貌測量．該方法僅需一幅散斑圖像，操作相對簡單，不需要投影柵線，由于是基于光的干涉,所以測量靈敏度較高．

2.4用邁克爾孫干涉儀測量隱失場

物質(zhì)表面受光照時(shí)產(chǎn)生的場分布可以分為近場和遠(yuǎn)場兩個(gè)區(qū)域，其中近場區(qū)域就包括束縛于離物體表面約1 個(gè)波長以內(nèi)、能在自由空間存在的非輻射隱失場[4]．這種隱失場帶有試樣表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息，其強(qiáng)度隨離開表面距離的增加呈指數(shù)衰減．測量時(shí)，利用邁克爾孫干涉儀可以在觀察屏上觀察到由于壓電陶瓷管伸縮引起的條紋吞吐現(xiàn)象，通過此現(xiàn)象測量出壓電常數(shù)，從而獲得電壓與壓電陶瓷管伸縮長度間的函數(shù)關(guān)系．然后利用切向力調(diào)制方法確定安裝在雙壓電陶瓷片上光纖探針與樣品間的最小距離，通過壓電陶瓷管控制探針移動(dòng)，用光電倍增管測量光纖探針的輸出光信號強(qiáng)度，可獲得全內(nèi)反射產(chǎn)生的隱失場光強(qiáng)隨探針與樣品間距增加而快速衰減的特性曲線．這種方法不僅可以用于隱失場的測量，同時(shí)也為掃描近場光學(xué)顯微鏡中常用的光纖探針質(zhì)量的監(jiān)測提供了一種快速簡便的手段．

2.5光纖邁克爾孫干涉儀原理及應(yīng)用

2.5.1光纖邁克爾孫干涉儀原理

由于光纖具有抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、防爆、體積小、重量輕、可繞性好等特點(diǎn)，而倍受人們的關(guān)注[5]．光纖邁克爾孫涉儀也正是利用了光纖的這些特性，使光纖兩臂可以繞成任意形狀，其參考臂與信號臂可以分開間隔很遠(yuǎn),結(jié)構(gòu)靈活，避免了傳統(tǒng)分立元件中邁克爾孫干涉儀極高的環(huán)境和調(diào)整要求．因此，它的應(yīng)用可以延伸到許多傳統(tǒng)干涉儀的禁區(qū)．

圖2　光纖邁克爾孫干涉儀工作原理圖

光纖邁克爾孫干涉儀的基本工作原理(如圖2)：He-Ne激光通過耦合進(jìn)入光纖后分成強(qiáng)度相等的兩束分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蛡鞲斜壑袀鞑ィ畠筛缮姹壑袀鞑サ墓饩€經(jīng)各自光纖端面的反射鏡反射，重新返回光纖中，當(dāng)兩臂間的光程差小于光源的相干長度時(shí)，兩束光輸出時(shí)將發(fā)生干涉．輸出的干涉信號由探測器檢測．

2.5.2光纖邁克爾孫干涉儀測量晶體的彈光系數(shù)

晶體在不同外力作用下折射率的變化很小，因此采用何種手段測量折射率的變化成為研究的關(guān)鍵．文獻(xiàn)[6]利用光纖邁克爾孫干涉儀，測量了折射率隨外力的變化，從而確定了晶體的彈光系數(shù)．實(shí)驗(yàn)采用光纖邁克爾孫白光干涉系統(tǒng)，通過光程比較的方法來間接測量晶體折射率隨外力的變化特性．由于光源是白光，當(dāng)干涉儀兩臂的光程差小于光源的相干長度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生白光干涉圖，具有振幅極大的中心干涉條紋對應(yīng)兩臂光程絕對相等處．利用這一干涉特性，來間接的測量樣品折射率隨相關(guān)狀態(tài)的變化關(guān)系．

2.5.3光纖邁克爾孫干涉儀測量水輪機(jī)葉片裂紋

激光超聲檢測技術(shù)可通過激光激發(fā)超聲信號和光學(xué)方法檢測，實(shí)現(xiàn)完全非接觸激發(fā)和接收，便于在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下進(jìn)行檢測，是目前用于表面檢測的常規(guī)方法之一．在眾多的用于測量的光纖傳感器中，光纖邁克爾孫傳感器由于制作簡單、便于操作，得到了廣泛的應(yīng)用．

文獻(xiàn)[7]等設(shè)計(jì)制作了一套基于自制光纖邁克爾孫干涉儀的超聲檢測實(shí)驗(yàn)裝置，將其應(yīng)用于檢測水輪機(jī)葉片的裂紋．如圖3所示，激光器發(fā)出的光分別進(jìn)入信號臂和參考臂，光在兩臂中傳輸?shù)侥┒藭r(shí)發(fā)生反射，反射光經(jīng)3dB耦合器后被光電探測器接收，轉(zhuǎn)化為電信號．

圖3　實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)光干涉原理，反射光的干涉光強(qiáng)為

I=2I0r2(1+cosφ)

(1)

其中，I0為入射光強(qiáng)，r為光纖末端反射膜的反射比，φ為相位差．由于光在信號臂和參考臂中的傳輸光路不同，其差值為

s=l1-l2=2d

(2)

式中l(wèi)1，l2分別為兩臂光纖的長度，長度差即為傳感頭長度．所以

(3)

式中，n為光纖折射率，λ為波長．

由以上式(1)、(2)、(3)可知，干涉光強(qiáng)與傳感頭長度成正比，通過測量干涉光強(qiáng)的變化就可以測出改變傳感頭長度的外界信號的變化規(guī)律．該方法能有效地檢測出裂紋．

2.6非線性邁克爾孫干涉儀

在非線性邁克爾孫干涉儀中，標(biāo)準(zhǔn)的邁克爾孫干涉儀的其中一條干涉臂上的平面鏡被替換為一個(gè)Gires-Tournois干涉儀或Gires-Tournois標(biāo)準(zhǔn)具，從Gires-Tournois標(biāo)準(zhǔn)具出射的光場和另一條干涉臂上的反射光場發(fā)生干涉．由于Gires-Tournois標(biāo)準(zhǔn)具導(dǎo)致的相位變化和光波長有關(guān)，并且具有階躍的響應(yīng)，使得非線性邁克爾孫干涉儀有很多特殊的應(yīng)用，例如光纖通信中的光學(xué)梳狀濾波器．另外，邁克爾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(biāo)準(zhǔn)具，此時(shí)的非線性邁克爾孫干涉儀會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的非線性效應(yīng)，并可以用來制造反對稱的光學(xué)梳狀濾波器．

3結(jié)束語

邁克爾孫干涉儀結(jié)構(gòu)簡單，光路直觀，精度高，其調(diào)整和使用具有典型性，是一種常用的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備．根據(jù)邁克爾孫干涉儀的基本原理發(fā)展的各種干涉儀已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和科研各種領(lǐng)域．鑒于篇幅有限，我們僅選幾個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)．總之，邁克爾孫干涉儀在現(xiàn)代光學(xué)中是一種不可缺少的重要的光學(xué)儀器．

參 考 文 獻(xiàn)

1蔣禮，羅少軒，等.用邁克爾孫干涉儀測量全息干板膜厚度.應(yīng)用光學(xué)，2006,27(3)：250～253

2左春英,溫靜.邁克爾孫干涉儀在超聲光柵中的應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009,7(1):61～62

3馬志芳,高秀梅,孫平.基于邁克爾孫干涉的傅里葉變換散斑形貌測量技術(shù).應(yīng)用光學(xué)，2008,29(6)：874～877

4徐平,錢建強(qiáng),余威，等.用邁克爾孫干涉儀測量隱失場.光電子激光，2007,18(8)：970～972

5原安娟，柴常.基于邁克爾孫干涉原理的光纖傳感器研究.山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,24(1)：29～31

6邢進(jìn)華.用光纖邁克爾孫干涉儀測量晶體的彈光系數(shù).常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,19 (6)：27～30

7郭恒,劉霞,單寧，等.基于光纖邁克爾孫傳感器的水輪機(jī)葉片裂紋檢測.無損檢測，2008,30 (6)：342～343

Application Research on Michelson Interferometer

Liu JianJing

(College of Sciences,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin300222)

Abstract:Michelson interferometer is widely applicable in modern physics and modern metrology as precision optical instrument. Observe equal thickness.In this paper, we want to introduce the application in evanescent field, elasto-optical coefficient ,thickness of thin film of holographic plate, and so on.

Key words:Michelson interferometer;optical fiber Michelson interferometer;evanescent field;elasto-optical coefficient.

教材與書評

收稿日期：(2015-04-17)

作者簡介：劉建靜(1977-)，女，講師，研究方向：新型材料的物性及應(yīng)用.