干涉仪

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干涉仪(Interferometers)

定义:利用干涉效应的光学器件。

干涉仪是利用干涉效应的一种光学装置。一般来说,最初入射光先经过某种分束器(部分透射反射镜)分成单独的两束光,可能有的光束会经过外界环境的影响(例如,长度变化或者经过折射率变化的透明介质),然后在另一个分束器处光束再次符合。得到的光束功率的空间分布就可以用于测量。


目录

干涉仪的类型

马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪

图1:马赫-曾德尔干涉仪。

马赫-曾德尔是由物理学家Ludwig Mach和Ludwig Zehnder提出的。如图1所示,它采用两个单独的分束器(BS)来分离光束和合束,并且具有两个输出端,将输出光输出至光电探测器。干涉仪的两臂近似相等(如图所示),也可以不同(例如,单独加入一个延迟线)。在两输出端口处的功率分配情况与两臂长差和波长有关。

如果干涉仪排列整齐,可以调节臂长差(例如,通过细微移动其中一个反射镜),这样在某一光学频率时,总的光功率从一个端口输出。而排列不好的光束(例如,一个反射镜稍稍倾斜),在两个输出端都会有干涉条纹,并且臂长差的变化会影响干涉条纹的形状,然而总功率的分布情况不会有很大的变化。


迈克尔逊干涉仪

图2:迈克尔逊干涉仪。

迈克尔逊干涉仪是由Albert Abraham Michelson发明的,采用单个分束器来进行分束或者合束。如果两个反射镜放置的严格垂直(见上面的图),可以只得到一个输出,而另一输出端口返回至光源。如果该光学反馈是不需要的(例如在激光器中,会引起不稳定),或者需要第二个输出端口,那么光束可以在分束器另外的位置进行合束。一种可能方案是采用激光反射镜,如下面的图;其另一个优势在于干涉仪中激光反射镜的轻微不对准没有太大影响。或者,也可以采用非垂直入射的简单的反射镜。

如果臂长差不为0,如图2中,只有在有限带宽内可以实现干涉相消或者相长。迈克尔逊干涉仪最开始在注明的迈克尔逊-莫雷实验中采用的是宽带光源,这样干涉仪的臂长差需要近似为0。

迈克尔逊干涉仪有很多不同的变化形式。例如,Twywan-Green干涉仪就是采用单色点光源的迈克尔逊干涉仪。它用来表征光学元件。



法布里-珀罗干涉仪

图3:法布里-珀罗干涉仪。

法布里-珀罗干涉仪(图3)包含两个平行的反射镜,光可以在其中往返多次。(该干涉仪的单片形式可以采用两边都有反射涂层的玻璃片。)当反射镜具有很高反射率时,这一器件具有很锐的共振曲线(高精细度),即只有当光频率接近某一值时才有很高的透射率。基于这些特性,对于距离的测量分辨率要高于对波长的测量。类似的,共振频率测量的也非常准确。

一个改进的形式为Fizeau干涉仪,其中第二个反射镜是全反射的,并且稍微倾斜。反射光被用来表征光学组分。

另一种特殊的法布里-珀罗干涉仪可用于色散补偿,称为Gires-Tournois干涉仪




Sagnac干涉仪

Sagnac干涉仪(以法国物理学家Georges Sagnac命名)在环路中有两相向传播的两束光,通过多个反射镜(如图4)或者采用光纤来实现。如果整个干涉仪绕着垂直于平面的轴旋转,会在两束相反方向的光中产生相位差(Sagnac效应)。测量旋转的灵敏度与环路面积成正比,再乘以环路的圈数(如果采用光纤,该数值会很大)。可以达到足以探测地球自转的角速度。

Sagnac干涉仪通常用在惯性导航系统中。

共路干涉仪

有些干涉仪采用同一个光路径但是利用两光束不同的偏振态。其优势在于几何光路上的涨落对干涉仪的输出没有影响,干涉仪可以作为敏感的双折射探测器。

光纤干涉仪

以上所有的干涉仪类型都可以采用光纤。光纤干涉仪不采用分束器,而是利用光纤耦合器

一个问题就是光在光纤中传播偏振态会发生变化。这通常需要加入一个光纤偏振控制器(有时需要重新调整)或者采用保偏光纤

同样需要注意的是光纤中的温度变化(以及弯曲)会影响光学相移。如果不同光学属于不同的干涉臂就会存在问题。然而,也有的光纤干涉仪采用统一光纤作为两个干涉臂,例如,利用相同光纤的两个不同的偏振方向。


干涉仪的物理原理

干涉仪采用不同的物理原理。例如,迈克尔逊干涉仪被用在不同的地方,采用不同的光源和光电探测器

  1. 当采用很小光学带宽的光源时(甚至单频激光器),当臂长差变化时,探测器的信号就会发生周期性的变化。这一信号可以测量灵敏度远小于波长的情况,但是有一些模糊。例如,单纯的增加或者减小臂长差会使探测信号产生相同的变化。这一问题可以通过采用波动反射镜来调节臂长差,并且在探测器上控制产生的调制。采用双波长测量也是消除模糊的一种方法。
  2. 如果探测器是一种摄像机(例如,CCD芯片),并且表面很平滑,可以通过记录具有不同相移(相移干涉仪)的几个图像来重建其相位特性曲线。解相算法可以得到清晰的表面图。但是,这种方法对于粗糙的表面或者表面具有陡变。
  3. 白光干涉仪采用的是宽带光源(例如,超辐射发光二极管),因此只能在零臂长差处很窄范围内观察到干涉条纹。这样就可以消除上面提到的条纹模糊。
  4. 波长调谐激光器可用来产生多个波长进行探测。通过观察到的信号,臂长差可以非常准确的得到。这也可以采用二维的探测器(例如,CCD摄像机)。
  5. 如果有意使其中的一个反射镜倾斜,可以观察到干涉条纹。任意改变臂长差都会使条纹发生移动。这种方法不仅能够很灵敏的测量相位变化,还可以测量相位随位置的变化。

另一种干涉方法为空间干涉仪。这里利用的是光谱的干涉。光谱调制周期主要由时间延迟决定。


应用

干涉仪有很多方面的应用,不仅仅可以用于长度测量。例如:

  1. 测量距离(或者位置的改变,即位移)的精度可以大于一个光学波长(极限情况下,例如探测重力波,灵敏度小于波长几个量级)
  2. 测量激光光束的波长(波长计),或者分析光束的波长组分
  3. 控制光波长或频率的微小变化(通常利用法布里-珀罗干涉仪的透射曲线)
  4. 测量旋转(采用Sagnac干涉仪)
  5. 测量光学表面的平滑度
  6. 测量激光器的线宽自差线宽测量,鉴频器)
  7. 测量微小折射率变化
  8. 调制激光光束的功率或者相位,例如,在光纤通信系统中加入马赫-曾德尔调制器
  9. 测量光学元件的色散
  10. 作为光学滤波器
  11. 通过光谱干涉仪得到超短脉冲的特性

根据应用的不同,干涉仪对光源的要求也不同。很多情况下,需要光谱很纯的光源,例如,单频激光器。有时,激光器需要是波长调谐的。还有的情况下(例如采用白光干涉仪测量色散),需要很大带宽和平滑光谱的光源。


噪声影响

干涉测量中存在激光器噪声,还受到量子噪声的影响。一般来说,分束器入射端口的真空噪声决定了灵敏度的标准量子极限散粒噪声极限)[2,5]。低于该极限的噪声水平可以通过注入压缩态光进入干涉仪来实现[2,4,10]。


参考文献

[1] A. Labeyrie, “Stellar interferometry methods”, Am. Rev. Astrom. Astrophys. 16, 77 (1978)

[2] C. M. Caves, “Quantum-mechanical noise in an interferometer”, Phys. Rev. D 23 (8), 1693 (1981)

[3] K. Creath, “Phase-shifting speckle interferometry”, Appl. Opt. 24 (18), 3053 (1985)

[4] M. Xiao et al., “Precision measurement beyond the shot-noise limit”, Phys. Rev. Lett. 59 (3), 278 (1987)

[5] M. T. Jaekel and S. Reynaud, “Quantum limits in interferometric measurements”, Europhys. Lett. 13, 301 (1990)

[6] S. Diddams and J.-C. Diels, “Dispersion measurements with white-light interferometry”, J. Opt. Soc. Am. B 13 (6), 1120 (1996)

[7] R. Dandliker et al., “Distance measurement by multiple-wavelength interferometry”, J. Opt. 29 (3), 105 (1998)

[8] J. M. Schmitt, “Optical coherence tomography (OCT): a review”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 5 (4), 1205 (1999)

[9] J. D. Monnier, “Optical interferometry in astronomy”, Rep. Prog. Phys. 66 (5), 789 (2003)

[10] A. Thüring et al., “Broadband squeezing of quantum noise in a Michelson interferometer with Twin-Signal-Recycling”, Opt. Lett. 34 (6), 824 (2009)

[11] J. Biophoton. 2 (6-7) (2009): special issue on optical coherence tomography


参阅:干涉光谱干涉仪Gires-Tournois干涉仪法布里-珀罗干涉仪白光干涉仪参考腔光学测量激光器测距光外差探测