邁克爾干涉儀試驗(yàn)拓展延伸

1、邁克爾干涉儀實(shí)驗(yàn)拓展延伸一、傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的測(cè)量應(yīng)用1 .微小位移量和微振動(dòng)的測(cè)量；采用邁克爾遜干涉技術(shù)，通過(guò)測(cè)量KDP晶體生長(zhǎng)的法向速率和臺(tái)階斜率來(lái)研究其臺(tái)階生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)系數(shù)、臺(tái)階自由能、溶質(zhì)在邊界層內(nèi)的擴(kuò)散特征以及激發(fā)晶體生長(zhǎng)臺(tái)階的位錯(cuò)活性。He-Ne 激光器的激光通過(guò)擴(kuò)束和準(zhǔn)直后射向分束鏡,參考光和物光分別由反射鏡和晶體表面反射,兩束光在重疊區(qū)的干涉條紋通過(guò)物鏡成像,該像用攝像機(jī)和錄像機(jī)進(jìn)行觀察和記錄.濾膜用于平衡參考光和物光的強(qiáng)度.納米量級(jí)位移的測(cè)量：將邁克爾遜型激光干涉測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于環(huán)規(guī)的測(cè)量中。采用633nm 穩(wěn)頻的He-Ne 激光波長(zhǎng)作為測(cè)量基準(zhǔn)，采用干涉條紋計(jì)數(shù)，用靜態(tài)光電

2、顯微鏡作為環(huán)規(guī)端面瞄準(zhǔn)裝置，對(duì)環(huán)規(guī)進(jìn)行非接觸、絕對(duì)測(cè)量，配以高精度的數(shù)字細(xì)分電路，使儀器分辨力達(dá)到5nm ；靜態(tài)光電顯微鏡作為傳統(tǒng)的瞄準(zhǔn)定位技術(shù)在該裝置中得以充分利用，使其瞄準(zhǔn)不確定度達(dá)到 30nm；精密定位技術(shù)在該裝置中也得到了很好的應(yīng)用，利用壓電陶瓷微小變動(dòng)原理，配以高精度的控制系統(tǒng)，使其驅(qū)動(dòng)步距達(dá)到5nm。測(cè)振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理用半導(dǎo)體激光器干涉儀對(duì)微振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量時(shí),用一彈性體與被測(cè)量（力或加速度）相互作用,使之產(chǎn)生微位移。將這一變化引到動(dòng)鏡上來(lái),就可以在屏上得到變化的干涉條紋,對(duì)等傾干涉來(lái)講,也就是不斷產(chǎn)生的條紋或不斷消失的條紋。由光敏元件將條紋變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娏鞯淖兓?經(jīng)過(guò)電路處理可得到微

3、振動(dòng)的振幅和頻率。壓電材料的逆壓電效應(yīng)研究：壓電陶瓷材料在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生伸縮效應(yīng),這就是所謂壓電材料的逆壓電現(xiàn)象,其伸縮量極微小。將邁克爾遜干涉儀的動(dòng)鏡粘在壓電陶瓷片上,當(dāng)壓電陶瓷片受到電激勵(lì)產(chǎn)生機(jī)械伸縮時(shí)就帶動(dòng)動(dòng)鏡移動(dòng)。而動(dòng)鏡每移動(dòng)入2的距離，就會(huì)到導(dǎo)致產(chǎn)生或消失一個(gè)干涉環(huán)條紋，根據(jù)干涉環(huán)條紋變化的個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出壓電陶瓷片伸縮的距離。2 . 角度測(cè)量：依照正弦原理改型設(shè)計(jì)了邁克爾遜干涉儀，可以完成小角度測(cè)量。儀器的兩個(gè)反射鏡由三棱鏡代替，反射鏡組安裝在標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)器件的轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)上。被測(cè)轉(zhuǎn)角依照正弦原理轉(zhuǎn)化成反射鏡組兩個(gè)立體棱鏡的相應(yīng)線位移,而后進(jìn)行干涉測(cè)量，小角度干涉儀測(cè)角分辨率達(dá)到10-

4、3 角秒量級(jí)。在設(shè)計(jì)的角度測(cè)量?jī)x中，兩個(gè)反射鏡都是平面鏡，但動(dòng)鏡被固定到一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)將轉(zhuǎn)動(dòng)角位移轉(zhuǎn)換成邁克爾遜測(cè)長(zhǎng)儀能夠測(cè)量的線位移。從而把角度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰埔苿?dòng)，從而用干涉儀測(cè)出角度的變化。3 .薄透明體的厚度及折射率的同時(shí)測(cè)量目前各大學(xué)使用邁克爾遜干涉儀只測(cè)量已知厚度的薄膜的折射率或已知薄膜的折射率再測(cè)量它的厚度，經(jīng)研究得出：可同時(shí)測(cè)量薄透明體厚度及折射率。其方法是：在不放薄膜時(shí)調(diào)出白光干涉條紋，而后插入透明薄膜，在薄膜與光線垂直時(shí)調(diào)出白光干涉條紋后,記錄此時(shí)動(dòng)鏡移動(dòng)的距離，再將薄膜偏轉(zhuǎn)口角（45。比較方便），再調(diào)出白光干涉條紋，再記錄動(dòng)鏡移動(dòng)的距離。通過(guò)動(dòng)鏡這兩次移動(dòng)的距離和薄膜

5、的偏轉(zhuǎn)角，就可以同時(shí)計(jì)算出待測(cè)薄膜的厚度和折射率。4 .氣體濃度的測(cè)量：在邁克爾遜干涉儀的參考光路中，放入一個(gè)透明氣體室，利用白熾燈做光源，在光程差為零的附近觀察到對(duì)稱的幾條彩色條紋，中間的黑色條紋是等光程（A=0）精確位置。利用通入氣體前后等光程位置的改變量，計(jì)算出氣體的折射率，再利用氣體的折射率與氣體濃度的關(guān)系，計(jì)算出氣體濃度。5 .引力波探測(cè)（超大型邁克爾遜干涉儀）引力波存在是廣義相對(duì)論最重要的預(yù)言，對(duì)愛(ài)因斯坦引力波的探測(cè)是近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)最重大的基礎(chǔ)探索項(xiàng)目之一。目前還沒(méi)有直接證據(jù)來(lái)證明引力波的存在。目前， 許多科學(xué)家正致力于利用激光干涉引力波探測(cè)儀來(lái)探測(cè)引力波。該儀器的主體是一臺(tái)激光邁

6、克爾遜干涉儀。 在無(wú)引力波存在時(shí)，調(diào)整臂長(zhǎng)使從互相垂直的兩臂返回的兩束相干光在分光鏡處相干減弱， 輸出端的光電二極管接收的是暗紋，無(wú)輸出信號(hào)。引力波的到來(lái)會(huì)使一個(gè)臂伸長(zhǎng)另一臂縮短， 使兩束相干光有了光程差，破壞了相干減弱的初始條件，光電二極管有信號(hào)輸出，該信號(hào)的大小與引力波的強(qiáng)度成正比。20 世紀(jì) 90 年代中期，華盛頓州的Hanford 和路易斯安娜州的 Livingston 開(kāi)始建造引力波探測(cè)站，并于 21 世紀(jì)初相繼建成臂長(zhǎng)4000 米、 2000 米的激光干涉儀引力波探測(cè)儀。據(jù)估計(jì)，引力波探測(cè)極有可能在今后10-20 年內(nèi)取得重大突破。二、光纖邁克爾遜干涉儀及其應(yīng)用：1 .光纖邁克爾遜

7、干涉儀的原理光纖邁克爾遜干涉儀的系統(tǒng)。從半導(dǎo)體激光器輸出的光,耦合到光纖中,經(jīng)過(guò)耦合器分束進(jìn)入干涉儀的兩條光纖臂中,在光纖臂的兩端直接鍍上反射膜以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)分立元件邁克爾遜干涉儀中兩反射鏡的功能,由此反射回來(lái)的光再經(jīng)耦合器匯合，形成干涉，由探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。該干涉儀最大特點(diǎn)是光路全封閉,光纖兩臂可繞成任意形狀,結(jié)構(gòu)靈活,抗電磁干擾，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此,它的應(yīng)用可以延伸到許多傳統(tǒng)干涉儀的禁區(qū),例如用于惡劣環(huán)境的高靈敏度傳感、水聲探測(cè)和地下核爆核查測(cè)試。它是許多高靈敏度光纖傳感器的重要物理基礎(chǔ)。由于光纖兩個(gè)反射臂中的光傳導(dǎo)特性可以受到溫度、壓力等外在條件的影響，所以，光纖邁克爾遜干

8、涉儀可以實(shí)現(xiàn)光纖應(yīng)變、溫度等物理量的測(cè)量。2 .光纖邁克爾遜干涉儀的應(yīng)用：（ 1） 混凝土內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)量把組成光纖邁克爾遜干涉儀的一個(gè)臂預(yù)埋到混凝土中，當(dāng)混凝土內(nèi)部發(fā)生膨脹、收縮或變形時(shí)， 光纖邁克爾遜的白光干涉條紋發(fā)生變化，這樣可以混凝土內(nèi)部的一維和二維很小的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量,可以及時(shí)了解材料內(nèi)部應(yīng)變信息以及內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)分布。由于光纖傳感器體積小,重量輕,柔軟易于布置,可埋入性好,抗拉性好,耐腐蝕性強(qiáng);不改變材料結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài) ; 測(cè)量的成本低等特點(diǎn)。（ 2） . 地震波加速度的測(cè)量以全光纖邁克爾遜干涉儀為基礎(chǔ)，研制出由地震敏感元件組成的單分量雙光路加速度地震檢波器樣機(jī)，能同時(shí)精確檢測(cè)空間三

9、個(gè)方向加速度的三分量地震檢波器就是一個(gè)重要的發(fā)展方向。 高靈敏度的加速度地震檢波器是地震探測(cè)過(guò)程中檢測(cè)地震波強(qiáng)度、方向和頻率等物理量的傳感器，在整個(gè)地震探測(cè)過(guò)程中的作用十分關(guān)鍵。（ 3） .溫度的測(cè)量，透明液體、固體折射率或與折射率相關(guān)的濃度的測(cè)量: 哈爾濱智能光電科技有限公司研制了光纖邁克爾遜干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以測(cè)量溫度，透明液體、固體折射率或與折射率相關(guān)的濃度三、作為其它儀器的核心部分的邁克爾遜干涉儀1 .傅里葉紅外吸收光譜儀利用邁克爾遜干涉原理進(jìn)行光譜測(cè)量，通過(guò)傅里葉變換獲得樣品的紅外吸收光譜或拉曼光譜， 是光譜技術(shù)的一場(chǎng)革命。與棱鏡光譜儀相比，測(cè)量時(shí)間極大地縮短，光譜的信噪比有很大提

10、高。在傅里葉變換光譜儀中,光源發(fā)出的光先是經(jīng)邁克爾遜干涉儀變成干涉光,再讓干涉光照射樣品,檢測(cè)器獲得干涉圖,再用計(jì)算機(jī)把干涉圖進(jìn)行傅里葉變換就能得到紅外吸收光譜。 實(shí)際上傅里葉變換紅外光譜儀的核心就是一個(gè)由邁克爾遜干涉儀所構(gòu)成的紅外光譜分光系統(tǒng)。2 .干涉成象光譜技術(shù)干涉成像光譜技術(shù)是當(dāng)代可見(jiàn)光紅外遙感器的前沿科學(xué),在軍事偵察中可發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)光所不能發(fā)現(xiàn)的軍事目標(biāo),并能根據(jù)武器系統(tǒng)的特征發(fā)射或反射光譜來(lái)判斷武器種類和型號(hào)。在（國(guó)土、礦物、海洋、民用方面,它可用于天文物理、人氣物理、地球科學(xué)研究，進(jìn)行地球資源森林植被）普查與考察等。超光譜付里葉變換成像光譜技術(shù)是通過(guò)邁克爾遜干涉儀用NxM 元探測(cè)器焦

11、平面列陣凝視所關(guān)心的景物，干涉儀中反射鏡的運(yùn)動(dòng)把光譜信息轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間干涉圖，同時(shí)探測(cè)器焦平面列陣以其幀速率得到采樣，因此每個(gè)像元都記錄了一張獨(dú)特的采樣干涉圖，這些干涉圖經(jīng)過(guò)付里葉變換最終變?yōu)榭臻g-光譜數(shù)據(jù)立方體。這些數(shù)據(jù)能夠提供被測(cè)地物在波長(zhǎng)上幾乎連續(xù)采樣的超多光譜通道的窄帶光譜信號(hào),即對(duì)地物等被測(cè)物進(jìn)行單波長(zhǎng)成像，有可能做到根據(jù)眾多地面物質(zhì)的吸收（或反射）和發(fā)射光譜特征直接確認(rèn)地面物體并分析診斷出地面像元的物質(zhì)成分。3 . 光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微小活體組織的無(wú)輻射,無(wú)損傷及實(shí)時(shí)的探測(cè)和成像，人們發(fā)展了光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)（Optical Coherence Tomography=&

12、gt;OCT）。OCT的工作原理：入射光分別進(jìn)入光纖邁克爾遜干涉儀中放有反射鏡的參考臂和放有被測(cè)樣品的樣品臂。從反射鏡返回的參考光和被樣品背景反射回來(lái)的信號(hào)光,只有在它們的光程差處于光源的一個(gè)相干長(zhǎng)度范圍內(nèi),它們才會(huì)產(chǎn)生干涉信號(hào),并在探測(cè)光束焦點(diǎn)處返回的光束才有最強(qiáng)的干涉信號(hào),產(chǎn)生的干涉信號(hào)被探測(cè)器接收,再通過(guò)解調(diào),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。水平或縱向深度移動(dòng)參考臂的反光點(diǎn),可以獲得局部不同點(diǎn)的干涉圖樣，從而獲得有關(guān)生物組織的信息。OCT可應(yīng)用于對(duì)生物組織成像。已經(jīng)獲得了眼睛透明結(jié)構(gòu)的層析圖像,心血管,胃腸道組織深部微米分辨力的成像,活體中胃腸組織的顯微形態(tài)及隱窩腔,上皮細(xì)胞和固有層之間的后向散射振幅

13、之間的差異等清楚可見(jiàn);用OCT 可以獲得胚胎發(fā)育過(guò)程的一系列圖像,可以動(dòng)態(tài)觀察這一過(guò)程。OCT 與多普勒技術(shù)相結(jié)合形成一種新的檢測(cè)技術(shù),它可用來(lái)檢測(cè)高散射介質(zhì)中的流體速度,如皮膚表層下的血流速度及用于確定亞表層中微血管直徑和血流速度分布等,而且能夠給出空間各點(diǎn)的流速分布,對(duì)疾病的診斷有重要價(jià)值。4 . 微型集成邁克爾遜干涉儀德國(guó)的 Hommewerke 公司在硅片上集成了雙邁克爾遜干涉儀，所有的光學(xué)元件集成在7.5X7.5mm2 的硅片上，生產(chǎn)出了集成光學(xué)傳感器，它體積小、成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，它可以完成位移、力和折射率的測(cè)量。5 . 邁克爾遜干涉儀在其它方面的應(yīng)用：利用等厚干涉條紋測(cè)量微光

14、的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF： 利用邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生一系列空間頻率的等厚干涉條紋來(lái)模擬分辨率板的作用,在計(jì)算機(jī)的控制下,自動(dòng)測(cè)量出連續(xù)的MTF 曲線。給出的實(shí)驗(yàn)光路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用干涉條紋測(cè)量微光的MTF是一種可行的簡(jiǎn)便方法，在計(jì)算機(jī)的控制下,可快速完成夜視儀的傳遞函數(shù)測(cè)量。利用邁克爾遜干涉儀測(cè)量光學(xué)球面的曲率半徑：利用邁克爾遜干涉儀的白光干涉零級(jí)暗條紋測(cè)出平面與被測(cè)球面相交的圓直徑及相應(yīng)的矢高值后,便可求得球面曲率半徑.測(cè)量過(guò)程中無(wú)測(cè)量力的影響,也不會(huì)損壞被測(cè)件表面 ,而且測(cè)量時(shí)對(duì)被測(cè)件安裝定位無(wú)特殊要求,誤差環(huán)節(jié)少,具有實(shí)用意義。超短脈沖激光測(cè)量的標(biāo)定方法: 利用邁克爾遜干涉光路的相對(duì)光程差,產(chǎn)生已知時(shí)間間隔,作為時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)皮秒、飛秒激光脈沖的測(cè)量進(jìn)行了標(biāo)定。6 .邁克爾遜干涉儀中干涉條紋變化的自動(dòng)測(cè)量。人工讀出和記錄干涉條紋圓環(huán)的幾百次“