麥可遜干涉儀
邁克耳孫干涉儀一般指本詞條
麥可遜干涉儀，是1881年美國物理學家麥可遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設計製造出來的精密光學儀器。它是利用分振幅法產生雙光束以實現干涉。通過調整該干涉儀，可以產生等厚干涉條紋，也可以產生等傾干涉條紋。主要用於長度和折射率的測量，若觀察到干涉條紋移動一條，便是M2的動臂移動量為λ/2，等效於M1與M2之間的空氣膜厚度改變λ/2。在近代物理和近代計量技術中，如在光譜線精細結構的研究和用光波標定標準米尺等實驗中都有著重要的套用。利用該儀器的原理，研製出多種專用干涉儀。
基本介紹
中文名：麥可遜干涉儀外文名：Michelson interferometer類別：高精密光學儀器原理：等厚干涉和等傾干涉套用：測量干涉光路中的光程差工作原理：平面鏡反射別名：邁氏干涉儀
工作原理,套用,注意事項,非線性型,配置,思想實驗,
工作原理麥可遜干涉儀（英文：Michelson interferometer）是光學干涉儀中最常見的一種，其發明者是美國物理學家阿爾伯特·亞伯拉罕·麥可遜。邁克耳遜干涉儀的原理是一束入射光經過分光鏡分為兩束後各自被對應的平面鏡反射回來，因為這兩束光頻率相同、振動方向相同且相位差恆定（即滿足干涉條件），所以能夠發生干涉。干涉中兩束光的不同光程可以通過調節干涉臂長度以及改變介質的折射率來實現，從而能夠形成不同的干涉圖樣。干涉條紋是等光程差的軌跡，因此，要分析某種干涉產生的圖樣，必需求出相干光的光程差位置分布的函式。若干涉條紋發生移動，一定是場點對應的光程差發生了變化，引起光程差變化的原因，可能是光線長度L發生變化，或是光路中某段介質的折射率n發生了變化，或是薄膜的厚度e發生了變化。S為點光源，M1（上邊）、M2（右邊）為平面全反射鏡，其中M1是定鏡；M2為動鏡，它和精密螺絲絲相連，轉動鼓輪可以使其向前後方向移動，最小讀數為10mm，可估計到10mm,。M1和M2後各有3個小螺絲可調節其方位。G1（左）為分光鏡，其右表面鍍有半透半反膜，使入射光分成強度相等的兩束（反射光和透射光）。反射光和透射光分別垂直入射到全反射鏡M1和M2，它們經反射後回到G1（左）的半透半反射膜處，再分別經過透射和反射後，來到觀察區域E。G2（右）為補償板，它與G1為相同材料，有相同的厚度，且平行安裝，目的是要使參加干涉的兩光束經過玻璃板的次數相等，兩束光在到達觀察區域E時沒有因玻璃介質而引入額外的光程差。當M2和M1'嚴格平行時，表現為等傾干涉的圓環形條紋，移動M2時,會不斷從干涉的圓環中心“吐出”或向中心“吞進”圓環。兩平面鏡之間的“空氣間隙”距離增大時，中心就會“吐出”一個個條紋；反之則“吞進”。M2和M1'不嚴格平行時，則表現為等厚干涉條紋，移動M2時，條紋不斷移過視場中某一標記位置，M2平移距離 d 與條紋移動數 N 的關係滿足：d=Nλ/2，λ為入射光波長。麥可遜干涉儀示意圖：經M2反射的光三次穿過G2分光板，而經M1反射的光通過G2分光板只一次。G1補償板的設定是為了消除這種不對稱。在使用單色光源時，可以利用空氣光程來補償，不一定要補償板；但在複色光源時，由於玻璃和空氣的色散不同，補償板則是不可或缺的。如果要觀察白光的干涉條紋，臂基本上完全對稱，也就是兩相干光的光程差要非常小，這時候可以看到彩色條紋；假若M1或M2有略微的傾斜，就可以得到等厚的交線處（d=0）的干涉條紋為中心對稱的彩色直條紋，中央條紋由於半波損失為暗條紋。麥可遜和愛德華·威廉士·莫雷使用這種干涉儀於1887年進行了著名的邁克耳遜-莫雷實驗，並證實了以太的不存在。套用麥可遜干涉儀的最著名套用即是它在麥可遜-莫雷實驗中對以太風觀測中所得到的零結果，這朵十九世紀末經典物理學天空中的烏云為狹義相對論的基本假設提供了實驗依據。除此之外，由於雷射干涉儀能夠非常精確地測量干涉中的光程差，在當今的引力波探測中麥可遜干涉儀以及其他種類的干涉儀都得到了相當廣泛的套用。雷射干涉引力波天文台（LIGO）等諸多地面雷射干涉引力波探測器的基本原理就是通過麥可遜干涉儀來測量由引力波引起的雷射的光程變化，而在計畫中的雷射干涉空間天線（LISA）中，套用麥可遜干涉儀原理的基本構想也已經被提出。麥可遜干涉儀還被套用於尋找太陽系外行星的探測中，雖然在這種探測中馬赫-曾特干涉儀的套用更加廣泛。麥可遜干涉儀還在延遲干涉儀，即光學差分相移鍵控解調器（Optical DPSK）的製造中有所套用，這種解調器可以在波分復用網路中將相位調製轉換成振幅調製。注意事項千萬不要用手觸摸光學表面，且要防止唾液濺到光學表面上。在調節螺釘和轉動手輪時，一定要輕、慢，決不能強扭硬扳。反射鏡背後的粗調螺釘不可旋得太緊，用來防止鏡面的變形。在調整反射鏡背後粗調螺釘時，先要把微調螺釘調在中間位置，以便能在兩個方向上作微調。測量中，轉動手輪只能緩慢地沿一個方向前進（或後退），否則會引起較大的空回誤差。非線性型在所謂非線性麥可遜干涉儀中，標準的麥可遜干涉儀的其中一條幹涉臂上的平面鏡被替換為一個Gires-Tournois干涉儀或Gires-Tournois標準具，從Gires-Tournois標準具出射的光場和另一條幹涉臂上的反射光場發生干涉。由於Gires-Tournois標準具導致的相位變化和光波長有關，並且具有階躍的回響，非線性麥可遜干涉儀有很多特殊的套用，例如光纖通信中的光學梳狀濾波器。另外，麥可遜干涉儀的兩條幹涉臂上的平面鏡都可以被替換為Gires-Tournois標準具，此時的非線性麥可遜干涉儀會產生更強的非線性效應，並可以用來製造反對稱的光學梳狀濾波器。配置如右圖所示，在一台標準的麥可遜干涉儀中從光源到光檢測器之間存在有兩條光路：一束光被光學分束器（例如一面半透半反鏡）反射後入射到上方的平面鏡後反射回分束器，之後透射過分束器被光檢測器接收；另一束光透射過分束器後入射到右側的平面鏡，之後反射回分束器後再次被反射到光檢測器上。注意到兩束光在干涉過程中穿過分束器的次數是不同的，從右側平面鏡反射的那束光只穿過一次分束器，而從上方平面鏡反射的那束光要經過三次，這會導致兩者光程差的變化。對於單色光的干涉而言這無所謂，因為這種差異可以通過調節干涉臂長度來補償；但對於複色光而言由於在介質中不同色光存在色散，這往往需要在右側平面鏡的路徑上加一塊和分束器同樣材料和厚度的補償板，從而能夠消除由這個因素導致的光程差。邁克耳孫干涉儀的光路(補償板未畫出)在干涉過程中，如果兩束光的光程差是半波長的2K倍（K=0，1，2……），在光檢測器上得到的是相長的干涉信號（即：顯示亮紋）；如果光程差是半波長的2k+1倍（K=0，1，2……），在光檢測器上得到的是相消的干涉信號（即：顯示暗紋）。當兩面平面鏡嚴格垂直時為等傾干涉，其干涉光可以在螢幕上接收為圓環形的等傾條紋；而當兩面平面鏡不嚴格垂直時是等厚干涉，可以得到以等厚交線為中心對稱的直等厚條紋。在光波的干涉中能量被重新分布，相消干涉位置的光能量被轉移到相長干涉的位置，而總能量總保持守恆。
19世紀末人們通過使用氣體放電管、濾色鏡、狹縫或針孔成功得到了邁克耳孫干涉儀的干涉條紋，而在一個版本的麥可遜-莫雷實驗中採用的光源是星光。星光不具有時間相干性，但由於其從同一個點光源發出而具有足夠好的空間相干性，從而可以作為邁克耳孫干涉儀的有效光源。思想實驗構想在麥可遜干涉儀處於靜止時和勻速直線運動時分別做實驗，以形成兩個干涉條紋圖案。由於干涉條紋是平面的圖案，所以只要都以垂直角度觀察，靜止系和動系裡的觀察者所見應是一致的。而比較這倆圖案，結果只可能是相同或不相同這兩者中的一種。若分別以這兩種可能的情形為據進行分析，就可以考察狹義相對論所宣稱的“鐘慢尺縮”物理效應和光速不變原理，在其理論框架中的相容性。由於是思想實驗，那不妨先假設運動前後干涉條紋相同。為簡化問題起見，設靜止時實驗裝置兩個方向（x和y）的光路是一樣長的，即lx=ly。按光速不變原理，這兩個方向的光速均為c。若在分光鏡處放上一個精度足夠高的鐘，就可記錄自分光鏡分成兩路的光，再各自回到分光鏡所需的時間tx和ty。由lx=ly、tx=2lx/c、ty=2ly/c，可知鐘記錄兩路光來回的時間值是相等的，即tx=ty。（按相對論的說法鐘記錄的時間被稱為固有時，具有物理意義，而非坐標時的數學意義。）現設麥可遜干涉儀沿其中一條光路x的方向作勻速直線運動，所形成的干涉條紋與靜止時是一樣的。這就表明運動時，兩路光來回所花的時間tx'和ty'也相等，即tx'=ty'。這是因為麥可遜干涉儀是通過干涉圖案是否變化，來判斷兩路光來回的時間差是否變化，這也是麥可遜和莫雷之所以用它來驗證以太是否存在的依據。如若不然，麥可遜-莫雷實驗的結果，就不能被用來驗證光速不變了。再按相對論的說法無論是否運動，鐘在其所在的慣性系裡測得的時間都是有效的，因此運動時分光鏡處的那個鐘，所記錄下的兩路光來回所花的時間就設為tx'和ty'。由於假設運動僅發生在x方向，與之垂直的y方向上沒有速度變化，按狹義相對論的的說法，y方向光路的長度(空間尺度及數值)不會變，即ly'=ly。而相對於這個鐘，運動前後各方向的光速仍然是同一個值c。由ly=ly'、ty=2ly/c、ty'=2ly'/c，可知ty=ty'，即運動前後該鐘所測y方向的光來回的時間值是相等的，而且這個鐘的計量尺度也不該有改變。因為只有這樣，由2ly'/ty'計算所得的光速值才能與運動前的計算值2ly/ty完全一樣。如果運動後僅僅鐘的計量尺度有所改變，那這時所測的光速是不可能與運動前所測的真正一樣，這好比用快慢不同的鐘來測速，數值一樣並不能保證速度一樣。有了tx=ty、ty=ty'、tx'=ty'，自然就可推出tx=tx'；再根據光速不變原理及速度公式，由2lx/tx=2lx'/tx'，還可推出lx=lx'。同理，由於運動前後鐘的計量尺度沒有變化，那么x方向的空間尺度也不會發生變化。既然得出了lx=lx'及tx=tx'的結論，那么狹義相對論所預言的運動將會產生“鐘慢尺縮”的物理效應又去哪了呢？顯然要在狹義相對論的框架下，對本思想實驗第一個假設情形作分析，是發現不了物理意義上的“鐘慢尺縮”效應的。如果楞說有此物理效應的話，將會出現與本假設情形及光速不變原理格格不入的局面，這將在接下來分析另一假設情形中體現出來。且不說麥可遜干涉儀運動前後，干涉條紋圖案不一樣的假設情形符不符合相對性原理，以下將基於這第二個假設情形，接著考察光速不變原理和“鐘慢尺縮”的物理效應在相對論體系中的相容性。
如前所述，麥可遜干涉儀靜止時兩條光路等長（lx=ly），所形成的干涉條紋表示兩路光來回的時間是一樣的（tx=ty）。若按現假設，實驗裝置沿x方向作勻速直線運動時，干涉條紋與靜止時的不一樣了，以麥可遜干涉儀的原理來看，兩路光來回的時間不再一樣了(tx'<>ty')。按狹義相對論的說法，x方向若有運動變化，該方向上就會有“鐘慢尺縮”的物理效應，即x方向的光路由靜止時的lx變為運動時的lx'，鐘記錄光來回的時間也由靜止時的tx變為運動時的tx'。而按速度公式2lx'/tx'計算運動時x方向的光速值仍然是c，與靜止時按2lx/tx計算的值是一樣的，符合光速不變原理。這時由於y方向的運動速度並沒有改變，因此不會有“尺縮”效應，即ly'=ly=lx，卻不同於lx'。按光速不變原理，x和y方向的光速還是一樣的c，由速度、距離、時間關係式可知，兩路光來回的時間將不一樣，即ty'=2ly'/c將不等於tx'=2lx'/c，這倒也吻合運動前後所形成的干涉條紋不一樣的假設情形。那么運動前後，y方向的光來回的時間，即由同一個鐘記錄的ty是否等於ty'呢？如果ty<>ty'，因為ly=ly'，那由速度公式計算運動前後y方向的光速就不會是同一個值了，即2ly/ty<>2ly'/ty'，這顯然不符合光速不變原理。而要符合光速不變原理，同一個鐘記錄的運動前後y方向的光來回的時間就須相等，即ty=ty'，可這還能說該鐘因運動而變慢嗎？於是無論ty與ty'是否相等，狹義相對論對第二個假設情形的解讀，都會讓其陷入兩難的境地。當然，相對論可以否認第二個假設情形的真實存在，那就只剩第一個假設情形了，總不能兩個假設情形都不認吧。可前面在分析第一個假設情形時，並沒有發現狹義相對論所預言的“鐘慢尺縮”物理效應的任何蛛絲馬跡，這不得不讓人生疑：狹義相對論能同時容納光速不變原理和物理意義上的“鐘慢尺縮”效應嗎？
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