光波干涉与全息干涉法

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第122页（2894字）

光波干涉是一种很古老的物理现象，在激光出现以前，用相干性差、亮度低的光源制成的干涉仪，大都只能用于实验室中进行此较测量。干涉给出的信息是一幅干涉图样，干涉条纹是干涉场上光程差相同的场点的轨迹。自从连续波可见光He－Ne激光器出现以来，为干涉提供了相干性最好的光源，同时甲烷和碘稳定的He－Ne激光波长被指定为长度基准，这也给光波干涉的直接应用提供了方便。因此激光干涉仪和全息干涉在计量领域得到了广泛使用。

1．激光干涉仪

干涉仪中使用的标准量是光波波长，由相干光源(激光)发出的光经分束器分成两束或两束以上光束，然后重合，在重合相交区域内形成相干条纹。如果两光线相干会聚于场点P，如图3．3－1，其夹角ω常称为干涉光线的会聚角。这时条纹间隔为：

图3．3－1 干涉现象

干涉条纹有如下特点：干涉场上各点的条纹方向垂直于两干涉光线所构成的平面，条纹间隔和波长λ成正比，近似与会聚角成反比。

干涉场平面B和L₁、L₂相对位置不同，条纹形状也不相同：(1)当干涉场平行于L₁、L₂的联线时，会聚角保持常数值，场上出现等距直条纹；(2)干涉场垂直于L₁L₂，场上呈现同心圆条纹；(3)干涉场安置在与L₁L₂成一夹角的方向上，场中的条纹形状略为弯曲，间隔也不等。

典型的迈克尔逊干涉仪一般产生等距直条纹，通过测得条纹移动数目N来实现测长。常用干涉仪中的主要光学元件有：激光器、光学准直系统、分束器等。

激光光束是高斯光束，它给干涉测量带来了一定的误差，为了改善光束特性，减少发散角，使光束更接近均匀平面波，通常使用光学准直系统，最简单的是倒置望远镜(由两个焦距不等的凸透镜组成)。

常用的分束器有平行平板分束器、立体分束器和偏振分束器。平行平板分束器用于光束直径较大的系统，它易于加工、成本低，立体分束器用于整体式布局干涉仪中，易于紧固和联结；偏振分束器主要用于偏振干涉仪系统。

反射器包括平面反射器、角锥棱镜、“猫眼”系统、直角棱镜反射器。平面反射器对垂直于横向的移动不敏感，而偏转时将产生附加光程差；角锥棱镜反射器和“猫眼”反射器对偏转不敏感，对平移十分敏感，角锥棱镜反射器因多次反射而会改变偏振状态；直角棱镜反射器只对一个方向平移和一个方向的偏转敏感，对垂直入射的平面偏振光不受干扰。

干涉系统中各元件的选择应根据实际情况，综合考虑条纹的质量、对比度以及整个系统的稳定性、工艺性等。有关实用的干涉光路在第四节讨论。

激光干涉仪的用途很广，如激光比长仪、双频激光干涉仪、激光小角度干涉仪、干涉仪测量空气折射率以及激光点光源干涉法测量地壳倾斜等，有关它们的详细资料参考文献［3］。

2．全息干涉

全息干涉与一般干涉法相比有许多独特的地方，它同时记录相位和光强，能对具有任意形状和粗糙的表面进行测量；全息技术是通过干涉计量方法从许多视角去考察一个形状复杂的物体，一个干涉全息图就相当于一般干涉进行多次观察；全息干涉可以对一个物体在不同时刻的状态进行比较，可探测物体在一段时间内的变化。因此它是全息照相用到实际中去的最主要的实用技术之一，它把普通干涉计量同全息照相方法结合在一起。

从全息照相可知，如果用全息系统记录了物体的全息图，将处理好的全息底片精确放回原来记录时的位置，并保持全息系统中的其他光学元件不变，用原参考光束再照射这个全息图，那么就会在物体原来的地方出现一个物体的再现象。如果原物体仍保持记录时的状态，这时再现光波和物体发出的光波在空间完全一致，只有物体出现；如果再现时，原物体的位置或形状发生了微小位移或变形，这时再现光波与变形后的物体所发出的光波会产生干涉，因此在观察再现象时，除看到物体本身外还可看到物体上面贯穿着一组复杂的干涉条纹。这便是全息干涉术。过程如图3．3－2所示。

图3．3－2 全息图的干涉

根据不同的全息干涉光路和探测对象，全息干涉计量有六种基本方法：二次曝光法、实时法、平均时间法、闪频法、等高线法以及位相外差法。全息计量的精度目前可达波长级，即0．5～0．8μm，适于迅速而准确地评价一个区域上尺寸的微小变化，如应力、位移、弯曲、扭转、振动等，还有质量控制、结构分析、振动分析、无损检测及流体力学、热力学等方面的应用。

【参考文献】：

［1］王因明主编，光学计量仪器设计，机械工业出版社，1982。

［2］薛实福、李庆祥编着，精密仪器设计，清华大学出版社，1991。

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［6］童竞主编，几何量测量，机械工业出版社，1988。

［7］王江主编，现代计量测试技术，中国计量出版社，1990。

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