迈克耳孙干涉仪 迈克耳孙干涉仪是一种利用光的干涉现象进行极高精度测量的光学仪器。我们从一个基本概念开始。 第一步：理解核心原理——光的干涉 想象一下，平静的水面上有两块小石子落下，会产生两圈波纹。当这两圈波纹相遇时，有的地方波峰叠加，水波变得更高（相长干涉）；有的地方波峰与波谷相遇，水面恢复平静（相消干涉）。光是一种电磁波，与水的波纹类似，当两束频率相同、振动方向相同且相位差恒定的光（称为“相干光”）相遇时，也会发生这种明暗交替的干涉现象。迈克耳孙干涉仪的核心就是人为地制造出这样的两束相干光，让它们“重逢”并产生干涉条纹。 第二步：剖析仪器结构——光路分与合 仪器的主要组成部分是一块 分光板 、一块 补偿板 、两面 平面反射镜 （动镜和定镜）以及一个 观察屏 。其工作流程如下： 光源 ：发出一束光（如激光）。 分束 ：光束到达 分光板 （表面镀有半透半反膜）。这就像一个有魔力的镜子，能将一束光分成强度大致相等的两束：一束透射（光束1），一束反射（光束2）。 传播 ：透射的光束1射向可前后精密移动的 动镜 ，反射的光束2射向固定的 定镜 。 反射 ：两束光分别被两面镜子反射，沿原路返回。 重逢与干涉 ：返回的光束1再次到达分光板时，一部分被反射向观察屏；返回的光束2再次到达分光板时，一部分透射向观察屏。于是，这两束经历了不同路径的光束终于在观察屏上“重逢”。由于它们源自同一光源，是相干光，因此会在屏上产生明暗相间的 干涉条纹 。 为什么需要补偿板？ 光束1在分光板中只穿过了一次玻璃基板，而光束2在分光板中穿过了三次（一次反射，两次透射）。为了补偿这个额外的玻璃光程，使两束光在玻璃介质中走过的路程相等，确保它们在任何波长下都能有效干涉，需要在光束1的路径上插入一块与分光板材质、厚度完全相同的 补偿板 。 第三步：理解条纹变化——测量原理 干涉条纹的形态和移动，是测量的关键。当两束光的光程差（即它们走过的路程差）恰好是光波波长的整数倍时，发生相长干涉，形成 亮纹 ；如果是半波长的奇数倍，则发生相消干涉，形成 暗纹 。 当你 缓慢移动动镜 时，光束1的光程随之改变。动镜每移动 半个波长 的距离，光程差就改变一个波长，观察屏上的干涉条纹就会 整体移动一条 。例如，从原来一个亮纹的位置，移动到相邻下一个亮纹的位置。 因此，通过 精确计数条纹移动的数目（N） ，并知道所用光源的波长（λ），就可以反推出动镜移动的微小距离（Δd）： Δd = N × (λ/2) 。这是测量长度的核心公式，精度可以达到纳米级别。 第四步：应用扩展——能做什么？ 基于上述原理，迈克耳孙干涉仪主要有以下经典应用： 长度与位移的精密测量 ：如上所述，是测量微小位移和标定长度的基准工具。 测量介质折射率 ：在一个光路中插入透明介质（如玻璃块、气体室），观察条纹移动的数量，即可推算出该介质的折射率。 ​ 检验光学元件质量 ：用待测镜面（如透镜、棱镜表面）替代定镜，通过观察产生的干涉条纹是否规则、平直，来判断其表面是否平整，精度可达光波波长量级。 历史性贡献 ：迈克耳孙和莫雷曾用此仪器试图探测地球在“以太”中运动引起的微小光程差。实验结果“零”成为了物理学史上最著名的“失败”实验之一，它直接催生了爱因斯坦的狭义相对论。 总结 ：迈克耳孙干涉仪的本质，是将难以直接测量的微小长度或折射率变化，转化为容易观察和精确计数的 干涉条纹移动数目 。它是一个将光波波长作为“尺子”的精密测量系统。