干涉仪是利用干涉效应的一种光学装置。一般来说，最初入射光先经过某种分束器（部分透射反射镜）分成单独的两束光，可能有的光束会经过外界环境的影响（例如，长度变化或者经过折射率变化的透明介质），然后在另一个分束器处光束再次符合。得到的光束功率的空间分布就可以用于测量。 

目录

1. 干涉仪的类型 

   1.1 马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪

   1.2 迈克尔逊干涉仪

   1.3 法布里-珀罗干涉仪

   1.4 Sagnac干涉仪

   1.5 共路干涉仪

   1.6 光纤干涉仪

2. 干涉仪的物理原理

3. 应用

4. 噪声影响

干涉仪的类型 

马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪 

图1：马赫-曾德尔干涉仪。

马赫-曾德尔是由物理学家Ludwig Mach和Ludwig Zehnder提出的。如图1所示，它采用两个单独的分束器（BS）来分离光束和合束，并且具有两个输出端，将输出光输出至光电探测器。干涉仪的两臂近似相等（如图所示），也可以不同（例如，单独加入一个延迟线）。在两输出端口处的功率分配情况与两臂长差和波长有关。 

如果干涉仪排列整齐，可以调节臂长差（例如，通过细微移动其中一个反射镜），这样在某一光学频率时，总的光功率从一个端口输出。而排列不好的光束（例如，一个反射镜稍稍倾斜），在两个输出端都会有干涉条纹，并且臂长差的变化会影响干涉条纹的形状，然而总功率的分布情况不会有很大的变化。 

迈克尔逊干涉仪 

图2：迈克尔逊干涉仪。

迈克尔逊干涉仪是由Albert Abraham Michelson发明的，采用单个分束器来进行分束或者合束。如果两个反射镜放置的严格垂直（见上面的图），可以只得到一个输出，而另一输出端口返回至光源。如果该光学反馈是不需要的（例如在激光器中，会引起不稳定），或者需要第二个输出端口，那么光束可以在分束器另外的位置进行合束。一种可能方案是采用激光反射镜，如下面的图；其另一个优势在于干涉仪中激光反射镜的轻微不对准没有太大影响。或者，也可以采用非垂直入射的简单的反射镜。 

如果臂长差不为0，如图2中，只有在有限带宽内可以实现干涉相消或者相长。迈克尔逊干涉仪最开始在注明的迈克尔逊-莫雷实验中采用的是宽带光源，这样干涉仪的臂长差需要近似为0。 

迈克尔逊干涉仪有很多不同的变化形式。例如，Twywan-Green干涉仪就是采用单色点光源的迈克尔逊干涉仪。它用来表征光学元件。 

法布里-珀罗干涉仪 

图3：法布里-珀罗干涉仪。

法布里-珀罗干涉仪（图3）包含两个平行的反射镜，光可以在其中往返多次。（该干涉仪的单片形式可以采用两边都有反射涂层的玻璃片。）当反射镜具有很高反射率时，这一器件具有很锐的共振曲线（高精细度），即只有当光频率接近某一值时才有很高的透射率。基于这些特性，对于距离的测量分辨率要高于对波长的测量。类似的，共振频率测量的也非常准确。 

一个改进的形式为Fizeau干涉仪，其中第二个反射镜是全反射的，并且稍微倾斜。反射光被用来表征光学组分。 

另一种特殊的法布里-珀罗干涉仪可用于色散补偿，称为Gires-Tournois干涉仪。 

Sagnac干涉仪 

Sagnac干涉仪（以法国物理学家Georges Sagnac命名）在环路中有两相向传播的两束光，通过多个反射镜（如图4）或者采用光纤来实现。如果整个干涉仪绕着垂直于平面的轴旋转，会在两束相反方向的光中产生相位差（Sagnac效应）。测量旋转的灵敏度与环路面积成正比，再乘以环路的圈数（如果采用光纤，该数值会很大）。可以达到足以探测地球自转的角速度。 

Sagnac干涉仪通常用在惯性导航系统中。 

共路干涉仪 

有些干涉仪采用同一个光路径但是利用两光束不同的偏振态。其优势在于几何光路上的涨落对干涉仪的输出没有影响，干涉仪可以作为敏感的双折射探测器。 

光纤干涉仪 

以上所有的干涉仪类型都可以采用光纤。光纤干涉仪不采用分束器，而是利用光纤耦合器。 

一个问题就是光在光纤中传播偏振态会发生变化。这通常需要加入一个光纤偏振控制器（有时需要重新调整）或者采用保偏光纤。 

同样需要注意的是光纤中的温度变化（以及弯曲）会影响光学相移。如果不同光学属于不同的干涉臂就会存在问题。然而，也有的光纤干涉仪采用统一光纤作为两个干涉臂，例如，利用相同光纤的两个不同的偏振方向。 

干涉仪的物理原理 

干涉仪采用不同的物理原理。例如，迈克尔逊干涉仪被用在不同的地方，采用不同的光源和光电探测器： 

1. 当采用很小光学带宽的光源时（甚至单频激光器），当臂长差变化时，探测器的信号就会发生周期性的变化。这一信号可以测量灵敏度远小于波长的情况，但是有一些模糊。例如，单纯的增加或者减小臂长差会使探测信号产生相同的变化。这一问题可以通过采用波动反射镜来调节臂长差，并且在探测器上控制产生的调制。采用双波长测量也是消除模糊的一种方法。 

2. 如果探测器是一种摄像机（例如，CCD芯片），并且表面很平滑，可以通过记录具有不同相移（相移干涉仪）的几个图像来重建其相位特性曲线。解相算法可以得到清晰的表面图。但是，这种方法对于粗糙的表面或者表面具有陡变。 

3. 白光干涉仪采用的是宽带光源（例如，超辐射发光二极管），因此只能在零臂长差处很窄范围内观察到干涉条纹。这样就可以消除上面提到的条纹模糊。 

4. 波长调谐激光器可用来产生多个波长进行探测。通过观察到的信号，臂长差可以非常准确的得到。这也可以采用二维的探测器（例如，CCD摄像机）。 

5. 如果有意使其中的一个反射镜倾斜，可以观察到干涉条纹。任意改变臂长差都会使条纹发生移动。这种方法不仅能够很灵敏的测量相位变化，还可以测量相位随位置的变化。 

另一种干涉方法为空间干涉仪。这里利用的是光谱的干涉。光谱调制周期主要由时间延迟决定。 

应用 

干涉仪有很多方面的应用，不仅仅可以用于长度测量。例如： 

1. 测量距离（或者位置的改变，即位移）的精度可以大于一个光学波长（极限情况下，例如探测重力波，灵敏度小于波长几个量级） 

2. 测量激光光束的波长（波长计），或者分析光束的波长组分 

3. 控制光波长或频率的微小变化（通常利用法布里-珀罗干涉仪的透射曲线） 

4. 测量旋转（采用Sagnac干涉仪） 

5. 测量光学表面的平滑度 

6. 测量激光器的线宽（自差线宽测量，鉴频器） 

7. 测量微小折射率变化 

8. 调制激光光束的功率或者相位，例如，在光纤通信系统中加入马赫-曾德尔调制器 

9. 测量光学元件的色散 

10. 作为光学滤波器 

11. 通过光谱干涉仪得到超短脉冲的特性 

根据应用的不同，干涉仪对光源的要求也不同。很多情况下，需要光谱很纯的光源，例如，单频激光器。有时，激光器需要是波长调谐的。还有的情况下（例如采用白光干涉仪测量色散），需要很大带宽和平滑光谱的光源。 

噪声影响 

干涉测量中存在激光器噪声，还受到量子噪声的影响。一般来说，分束器入射端口的真空噪声决定了灵敏度的标准量子极限（散粒噪声极限）。低于该极限的噪声水平可以通过注入压缩态光进入干涉仪来实现。