迈克尔逊干涉仪 迈克尔逊干涉仪是一种利用光的干涉现象进行精密测量的光学仪器，由美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊于19世纪80年代发明。它的核心原理是分振幅法产生双光束干涉。下面，我将从基本原理开始，逐步深入到其构造、工作方式和典型应用。 第一步：理解干涉的基本概念 光的干涉是指两束或多束频率相同、振动方向相同且相位差恒定的光波在空间相遇时，光强发生重新分布的现象，出现明暗相间的条纹（干涉条纹）。产生稳定干涉的必要条件是相干光，即满足上述条件的光。迈克尔逊干涉仪巧妙地通过分光镜将一束光分成两束，让它们经过不同路径后再次相遇，从而产生干涉。 第二步：仪器的核心构造 迈克尔逊干涉仪主要由以下几个光学元件组成，它们被精密地安装在一个稳定的平台上： 光源 ：通常使用单色性好的激光（如氦氖激光）或钠光灯。 分光板（分束镜） ：一块镀有半透半反膜的玻璃板，放置在与入射光成45度角的位置。它将入射光束分成两束：一束透射（光束1），一束反射（光束2）。 补偿板 ：一块与分光板材料、厚度完全相同的平行平面玻璃板，放置在与分光板平行的位置。它的作用是使两束光在玻璃中通过的光程相等，从而确保只有因路径不同引起的光程差，这对于使用白光光源至关重要。 平面反射镜（M1 和 M2） ：两块高精度的平面反射镜。M2固定不动，M1安装在一个可通过精密丝杠移动的拖板上，可以沿光束方向前后精确移动。 观察屏或探测器 ：用于接收并观察干涉图样。 第三步：光路与工作原理 一束光从光源发出，射向分光板。在分光板处被分为两束： 光束1 ：透射过分光板，经过补偿板，射向可动反射镜M1。被M1反射后，再次经过补偿板，回到分光板，并在分光板处发生 反射 ，最终射向观察屏。 光束2 ：被分光板 反射 ，射向固定反射镜M2。被M2反射后，再次回到分光板，并 透射 过分光板，最终也射向观察屏。 在观察屏处，光束1和光束2相遇。由于它们来自同一个光源的同一波前，因此是相干光。它们的光程差决定了干涉结果。光程差主要取决于M1和M2相对于分光板的“光学距离”。通常，我们通过调整M1和M2的方位，使它们与分光板的距离近乎相等，且相互之间形成一个很小的角度。 第四步：干涉图样的形成 当M1和M2严格垂直（即M1和M2的像相互平行）时，会观察到 等倾干涉 图样——一系列明暗相间的同心圆环。圆环中心条纹的明暗取决于光程差。移动M1，改变光程差，会导致圆环从中心“冒出”或“淹没”。 当M1和M2不严格垂直（即M1和M2的像形成一个很小的空气劈尖）时，会观察到 等厚干涉 图样——一系列平行直线条纹。条纹的间距与空气劈尖的角度有关。 第五步：核心测量原理——波长与位移的测量 这是迈克尔逊干涉仪最精妙的应用之一。移动可动反射镜M1时，光程差随之改变。每当M1移动半个波长的距离（Δd = λ/2），光程差就改变一个波长（λ），观察屏上的干涉条纹就会 移动一条 。 因此，通过精确计数干涉条纹移动的数目N，并精确测量M1移动的距离Δd，就可以反推出所用光源的波长： λ = 2Δd / N 。 反之，如果已知波长λ，通过计数条纹移动数目N，就能以极高的精度测量M1的微小位移： Δd = N * (λ/2) 。其测量精度可达纳米级别。 第六步：主要应用领域 基于其极高的测量精度，迈克尔逊干涉仪的应用非常广泛： 长度与位移的精密测量 ：作为现代激光干涉测长仪的原型，用于校准量块、测量微小位移。 测量介质的折射率 ：在一条光路中插入待测透明介质，通过条纹移动数可计算出介质的折射率。 测量光谱线的精细结构 ：迈克尔逊曾用它完成了著名的“迈克尔逊-莫雷实验”，并因此发明了 迈克尔逊干涉仪 的变体—— 傅里叶变换光谱仪 的核心部件。 检测光学元件的质量 ：通过分析产生的干涉条纹形状，可以判断平面镜、棱镜等光学元件的表面平整度。 总结 ：迈克尔逊干涉仪通过将一束光分成两路，使其经过不同路径后重新合并产生干涉。通过观察和分析干涉条纹的变化，可以将难以直接测量的微小位移、波长变化等信息，转化为易于观测和计数的条纹移动，从而实现极高精度的测量。它是光学精密测量技术的基石之一。