[科普中國]-零差檢測

干涉測量術(shù)（interferometry）是基于電磁波的干涉理論，通過檢測相干電磁波的干涉圖樣、頻率、振幅、相位等屬性，將其應(yīng)用于各種相關(guān)測量的技術(shù)的統(tǒng)稱。用于實(shí)現(xiàn)干涉測量術(shù)的儀器被稱作干涉儀。在當(dāng)今多個(gè)科研領(lǐng)域，干涉測量術(shù)都發(fā)揮著重要作用，包括天文學(xué)、光纖光學(xué)、工程測量學(xué)等。

一般而言，干涉測量術(shù)可以分為兩種基本類型：零差檢波和外差檢波。

在零差檢測中，待測電磁波和一個(gè)已知的參考信號（經(jīng)常被稱作本地振蕩器）進(jìn)行混波，而待測信號和參考信號的載頻是相同的，這樣得到的干涉光場可以消除電磁波本身頻率噪聲所帶來的影響。經(jīng)典的光學(xué)零差檢波裝置如馬赫-曾德爾干涉儀，其待測信號和參考信號來自同一波源。

簡介干涉測量術(shù)（interferometry）是基于電磁波的干涉理論，通過檢測相干電磁波的干涉圖樣、頻率、振幅、相位等屬性，將其應(yīng)用于各種相關(guān)測量的技術(shù)的統(tǒng)稱。用于實(shí)現(xiàn)干涉測量術(shù)的儀器被稱作干涉儀。在當(dāng)今多個(gè)科研領(lǐng)域，干涉測量術(shù)都發(fā)揮著重要作用，包括天文學(xué)、光纖光學(xué)、工程測量學(xué)等。一般而言，干涉測量術(shù)可以分為兩種基本類型：零差檢波和外差檢波。在零差檢測中，待測電磁波和一個(gè)已知的參考信號（經(jīng)常被稱作本地振蕩器）進(jìn)行混波，而待測信號和參考信號的載頻是相同的，這樣得到的干涉光場可以消除電磁波本身頻率噪聲所帶來的影響。經(jīng)典的光學(xué)零差檢波裝置如馬赫-曾德爾干涉儀，其待測信號和參考信號來自同一波源。1

基本原理一般而言，干涉測量術(shù)可以分為兩種基本類型：零差檢波和外差檢波。

零差檢測在零差檢測中，待測電磁波和一個(gè)已知的參考信號（經(jīng)常被稱作本地振蕩器）進(jìn)行混波，而待測信號和參考信號的載頻是相同的，這樣得到的干涉光場可以消除電磁波本身頻率噪聲所帶來的影響。經(jīng)典的光學(xué)零差檢波裝置如馬赫-曾德爾干涉儀，其待測信號和參考信號來自同一波源。

外差檢測外差檢測是兩束頻率不同但相近的相干電磁波的干涉，最早在美籍加拿大發(fā)明家雷吉納德·費(fèi)生登的研究中被提到。它通過將待測電磁波和參考信號進(jìn)行混波，實(shí)現(xiàn)對待測電磁波的頻率調(diào)制?，F(xiàn)今這種方法已被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信和天文學(xué)領(lǐng)域的信號探測和分析中，其中以無線電波、紅外線、可見光的干涉最為常見。待測信號和參考信號的頻率相近而不完全相同，在外差檢測中，兩列波同時(shí)入射到一個(gè)混頻器件——通常為（光）二極管——此時(shí)兩者發(fā)生外差干涉。

如果設(shè)待測信號的電場為，參考信號的電場為，則發(fā)生外差干涉后在混頻器件中接收到的光強(qiáng)為

最后的結(jié)果顯示干涉光強(qiáng)來自三項(xiàng)不同的貢獻(xiàn)：直流項(xiàng)（常數(shù)項(xiàng)）、高頻項(xiàng)和拍頻項(xiàng)（低頻項(xiàng)），在外差干涉中前兩者通常會被濾波器濾去，只保留較低頻率的拍頻。1962年，人們觀察到兩列頻率非常接近的激光在光檢測器上干涉會產(chǎn)生拍頻，從那以后外差檢測技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對拍頻頻率或相位的測量可以達(dá)到非常高的精度，從而對長度的干涉測量產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。2

實(shí)際應(yīng)用光學(xué)干涉測量

可見光的干涉測量是干涉測量術(shù)中最先發(fā)展同時(shí)也得到最廣泛應(yīng)用的類別，早期的實(shí)際應(yīng)用如邁克耳孫測星干涉儀對恒星角直徑的測量，但如何獲取穩(wěn)定的相干光源始終是限制光學(xué)測量發(fā)展的重要原因之一。直至二十世紀(jì)六十年代，光學(xué)干涉測量技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，這要?dú)w功于激光這一高強(qiáng)度相干光源的發(fā)明，計(jì)算機(jī)等數(shù)字集成電路獲取并處理干涉儀所得數(shù)據(jù)的能力大大提升，以及單模光纖的應(yīng)用增長了實(shí)驗(yàn)中的有效光程并仍能保持很低的噪聲。電子技術(shù)的發(fā)展使人們不必再去觀察干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋，而可以對相干光的相位差直接進(jìn)行測量。這里列舉了光學(xué)干涉測量在多個(gè)方面的一些重要應(yīng)用。

長度測量

長度測量是光學(xué)干涉測量最常見的應(yīng)用之一。如要測量某樣品的絕對長度，最簡明的方法之一是通過干涉對產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)；若遇到非整數(shù)的干涉條紋情形，則可以通過不斷成倍增加相干光的波長來獲得更窄的干涉條紋，直到得到滿意的測量精度為止。常見的方法還包括惠普公司研發(fā)的惠普干涉儀，它通過外加一個(gè)軸向磁場使氦－氖激光器工作在兩個(gè)相近頻率，從而發(fā)出頻率相差2兆赫茲的兩束激光，再通過偏振分束器使這兩束激光產(chǎn)生外差干涉。干涉得到的差頻信號被光檢測器記錄，而待測樣品引起的光程差變化則可以通過計(jì)數(shù)器表示為光波長的整數(shù)倍?；萜崭缮鎯x可以測量在60米左右以內(nèi)的長度，在附加其他光學(xué)器件后還可以用于測量角度、厚度、平直度等場合。此外，還可以通過聲光調(diào)制的方法得到差頻信號，并且這種方法能獲得更高的差頻頻率，從而可以從差頻信號中得到更高的計(jì)數(shù)。

長度測量的另一類情形是測量長度的變化，常見的方法如借助聲光調(diào)制產(chǎn)生的外差干涉，差頻信號所攜帶的相位差會被光檢測器記錄，從而得到長度的變化。在測量像熔凝石英這樣熱膨脹系數(shù)很低的材料的熱膨脹系數(shù)時(shí)，還經(jīng)常用到一種更精確的方法：將兩面部分透射部分反射的玻璃板置于待測樣品的兩端，從而構(gòu)成一個(gè)法布里－珀羅干涉儀。使用兩束發(fā)生外差干涉的激光，并通過反饋將其中一束激光的頻率鎖定到法布里－珀羅干涉儀的一個(gè)透射峰值頻率上。這樣，當(dāng)樣品發(fā)生熱膨脹而改變法布里－珀羅干涉儀的長度時(shí)，透射峰值頻率的變化會引起被鎖定的激光頻率的相應(yīng)變化，這一變化也會反映到外差信號中從而被探測到。

光學(xué)檢測

光學(xué)檢測包括對光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)的檢查和測試，諸如利用等厚干涉條紋來測量玻璃板各處的厚度，以及測量照相機(jī)鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）等都屬于這類應(yīng)用。利用等厚干涉來檢測樣品表面是否平整的最常見方法是斐索干涉儀，它利用準(zhǔn)直平行光在樣品表面反射后與入射光發(fā)生干涉，從而得到等厚條紋。此外，還可以采用從邁克耳孫干涉儀改進(jìn)而來的特懷曼－格林干涉儀。特懷曼－格林干涉儀也使用準(zhǔn)直平行光源，并由于從邁克耳孫干涉儀改進(jìn)而來，它可以使兩束相干光的光程非常接近，從而相比于斐索干涉儀它對光源的相干長度要求有所降低。

另一類廣泛應(yīng)用于檢測光學(xué)元件表面、光學(xué)系統(tǒng)像差以及測量光學(xué)傳遞函數(shù)的干涉儀是剪切干涉儀，它將待測樣品出射的波前分成兩個(gè)，并使其相互錯(cuò)開一定距離（這段距離被稱作剪切），兩個(gè)波前重疊的部分即產(chǎn)生干涉圖樣。剪切干涉儀分為切向剪切、法向剪切和旋轉(zhuǎn)剪切等類型：切向剪切干涉儀通常是一塊平行平面板或略呈角度的劈尖，準(zhǔn)直光源入射到平行平面板上就形成了兩束錯(cuò)開的相干光；而法向剪切干涉儀則類似于斐索干涉儀和特懷曼－格林干涉儀。剪切干涉儀的優(yōu)點(diǎn)是省去了作為參考的光學(xué)表面，結(jié)構(gòu)簡單且兩束相干光的光程基本相等，而缺點(diǎn)則是對干涉圖樣的數(shù)值分析比較繁瑣。3

參見衍射

摩爾紋

干涉儀列表

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)