干涉仪,理论和设计类型介绍

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简介干涉

干涉仪是一系列光学系统,可用于定制一系列应用,例如传感器以鉴定病原体,由于污染物或氧气耗尽或由大气引起的像差检测液体修改。

这是一个简短的介绍干涉。我们会检讨自己的历史背景,操作的基本原则,以及一些应用程序。

inteferometers的基本理论

波浪(例如Light)的重要特性是叠加的原则或两次或更多波同时占据相同空间的能力。这是所有波的重要特征,而当他们在尝试同时占用相同的空间时,而不是碰撞的粒子。波浪重叠,网络结果将添加每个重叠波。两个或多个波的叠加通常被称为干涉。

如果我们设想两个波具有相等的特性(即振幅,频率)在相同的方向行进时,我们有三个不同的结果:长或相消干涉,或者两者都不.:

  1. 建设性干扰是两个波处于相位(即,他们的冠和谷族互相匹配),

  2. 破坏性干扰是两个波都是超阶段的(即一个波的嵴与第二波的谷一致),

  3. 既不建设性也不消干涉是当在波之间的相位延迟(即,波既不输入或输出的相)。

两个波的建设性和破坏性干扰。

两个波的建设性和破坏性干扰。

在相长干涉,净信号具有两倍的原始信号的幅度。

在相长干涉,净信号具有两倍的原始信号的幅度。

干扰原来是在描述物理现象像共振,驻波,听觉和语言,谐波,衍射光栅和干涉非常重要。


干涉

干涉仪是最常见的二手光学仪器之一,因为它们具有非常高的精度和相对容易的制造。他们如何工作?基本上,干涉仪将光束(通常是激光)分成两个部件:参考光束和感测光束。参考光束将通过光路不置换。感测光束将穿过不同的光路行进,并将受到其光路的变化的影响。这种变化是由我们想要测量的东西引起的(例如,温度,压力,气体)。然后在屏幕上重新组合光束,并且两个光束的干扰将产生干扰图案。

例如,假设您想衡量天然气的存在。您可能有一个充满空气的小型气体容器,您设计干涉仪,使传感梁穿过该容器。干涉仪针对参考光束和空容器校准。干扰图案用作控制基础,以比较您的结果。假设您用气体填充容器(它可以是污染的空气,或氮气,或者它甚至可以是液体),从而改变容器的折射率。感测光束光路和干涉图案将以与测量元件的光学性质相关的方式改变。

干涉仪有多精确?简而言之,非常。在一些论文中,有可能报告光学路径上几十纳米的变化,这种情况并不少见。然而,与用于探测引力波的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)相比,这些结果显得微不足道。它们目前的分辨率是10-19米——这是质子宽度的千分之一——这使它成为有史以来建造的最精确的仪器之一。

干涉仪的类型

有几种类型的干涉。较常见的有:马赫 - 曾德尔,迈克尔逊和法布里 - 珀罗。然而,现有配置的列表是更广泛和定制干涉的设计可以提供专门的性能。下面,我们将介绍最常见的类型的干涉,并解释它们的性能属性。


Mach-Zehnder干涉仪(MZI)

MZI如图2所示。准直光束被分成两个光束:一个参考(RB)和传感器光束(SB)。两个光束通过相等长度的独立光路行进,在镜子上弹跳,并使用分束器重新组合。然后可以由一个检测器(通常是CMOS相机)检测干涉图案。

图2 MZI的经典配置。(马赫 -  Zehnder干涉仪)

图2 MZI的经典配置。(马赫 - Zehnder干涉仪)

MZI配置的一个有吸引力的特点是,它可以在集成光学中实现。的光被限制在波导,其保护装置免受机械震动,降低了它的尺寸,而且,通过增加额外的层,以将传感器臂,它能够检测生物分子或使用电光效应。图3示出了如何一个MZI可以在集成光学中实现。

在集成电路中的MZI中的图3的基本表示。

在集成电路中的MZI中的图3的基本表示。

迈克尔逊干涉仪(MI)

的MI在图4所示的通知,它使用比MZI更少的元件。它只有一个分束器和一个检测器。该MI的一个非常普遍的用途是检测目标反射镜的位置的变化。

图4.迈克尔森干涉仪

图4.迈克尔森干涉仪

在物理学史上,迈克尔逊干涉仪占有非常特殊的地位。它是由阿尔伯特·迈克尔逊发展处于历史上最有名的物理实验之一使用:迈克尔逊 - 莫雷实验。该实验中具有由如地球在太空旅行测量光速的变化检测luminiferous蓝天的存在的目标。以太应该在宇宙中的存在和(如需要空气中有声波相同),将允许光通过它的旅行。迈克尔逊和莫雷从来没有能够探测到光速的任何变化和破灭乙醚的存在的想法。多年以后,在1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,他推测,光在真空中的速度将是不变的。

MI为什么如此相关的第二个原因是因为Ligo实验使用迈克尔逊干涉仪来检测引力波。如前所述,LIGO实验允许我们检测引力波的存在。为什么这相关?想象一下,你在森林里,你看到了你周围的所有鸟类,昆虫和植物。你可以识别他们并学习他们的行为,但有一天有人删除了一套你甚至不知道你的耳塞。现在你可以听到鸟儿,听到风穿过叶子,甚至听到你甚至不知道的河流。这就是Ligo实验的相关方式,它给了我们一个探索宇宙的新感觉。

法布里 - 珀罗干涉仪(FPI)


法布里 - 珀罗干涉仪是由具有部分反射镜两个平坦表面(图5)的。表面彼此面对并且有可能在两者之间是一个小的间隙。有时候,也可以用一个单一的玻璃板坯与它的两个表面部分反射创建FPI。

图5.法布里 - 珀罗干涉仪:由小距离分开的两个光学元件来回反射光束,产生干扰图案。

图5.法布里 - 珀罗干涉仪:由小距离分开的两个光学元件来回反射光束,产生干扰图案。

每个反射,光束被分割,使得FPI的多光束干涉仪。

一个具有多光束干涉仪的好处是它具有非常高的分辨率(类似于如何高的行数/毫米产生具有高分辨率的衍射光栅)。这是可能有一个与明暗条纹之间的高对比度非常明确的干涉图案。

FPI有几个应用程序。最常见的是创建法布里 - 珀罗腔激光器,在那里可以创建具有非常高质量因子Q的激光器。

结论

干涉仪是非常多功能的系统,可以帮助我们创造非常高精度118金宝搏抽水 并且可以定制多个应用程序。在这篇文章中,我们提出了干涉和三个不同的干涉仪配置的基本原则。每个配置的选择将取决于特定的目标,设备,机械稳定性,和激光相干性。

干涉仪的应用范围很广,从芯片实验室系统中的生物分子的非侵入性技术,到天文学和引力波探测。

类别:

光学工程

标签:

干涉仪
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