什么是共路干涉仪（Common Path Interferometers）？

什么是共路干涉仪？有哪些不同类型的共路干涉仪？

共路干涉仪是一种干涉仪，其中样品光束和参考光束使用一个共同的光路进行干涉。

在一些干涉仪中，如迈克尔逊干涉仪，光束采取不同的几何路径并进行干涉。在这种情况下，干涉后得到的信号将对错位高度敏感，而且路径长度差会受到振动和冲击等机械噪声的影响。共路干涉仪是解决这一问题的方法。这些干涉仪不需要尺寸与被测系统相同的完美光学元件来产生参考光束。而且，在视场中心的两束光之间的路径差通常为零，这使得使用白光成为可能。在一些普通路径干涉仪中，参考光束穿过被测光学系统的一个小区域，不受系统像差的影响。当这个参考光束与穿过光学系统全部孔径的测试光束发生干涉时，就可以获得关于系统缺陷的明确信息。

共路干涉仪的设置非常简单和紧凑。这种设置的对准不那么关键，而且它们不需要特别的措施来减少机械噪音。有不同类型的普通路径干涉仪，如萨格纳克干涉仪、散射板干涉仪、侧向剪切干涉仪、水浴干涉仪、点衍射干涉仪等。

干涉仪的类型

萨格纳克干涉仪

图1：萨格纳克干涉仪

萨格纳克干涉仪是一种干涉仪，它使用萨格纳克效应的概念，利用光学干涉测量旋转。萨格纳克干涉仪使用环形路径上的反传播光束，用多个镜子或光纤来实现。在沙格纳克效应中，如果整个干涉仪围绕垂直于绘图平面的轴线旋转，就会给反传播光束带来一个相对的相位移动。旋转的灵敏度取决于环所覆盖的面积乘以往返的次数。当在光纤中使用许多圈时，这可能很大。也有可能获得一个足以测量地球绕轴旋转的灵敏度。

萨格纳克干涉仪有一个环形结构。图1描述了一个萨格纳克干涉仪的原理图。来自光源的一束光用分光器分成两束，这两束光沿着同一路径但方向相反。在返回入口处时，这两束光被允许离开环并发生干涉。根据仪器的角速度，干涉条纹的位置和两束出射光线的相对相位会发生偏移。也就是说，当干涉仪相对于地球处于静止状态时，光以恒定的速度传播。当干涉仪系统旋转时，其中一束光将相对于另一束光减慢。

散射板干涉仪

图2：散射板干涉仪

散射板干涉仪是一种用于测量光学系统中波前畸变的仪器。它用于测试光学系统的质量，如镜头、镜子和望远镜。这种干涉仪的工作原理是分析来自光源的波面通过扩散板时产生的散射图案，这些图案被用来重建波面并确定其像差。

参考路径和测试路径在散射板干涉仪中是自动匹配的，因此用白光可以很容易地获得零阶条纹。辅助光学器件的质量对这些干涉仪来说并不重要，因为它是一种普通路径干涉仪。激光被用作这些干涉仪的光源，但光谱过滤的白光源或弧光灯是首选。这些干涉仪的条纹对比度较低。它主要用于凹面镜的光学测试。

用于测试球面镜的散射板干涉仪设置如图2所示。散射板被放置在靠近测试面（被测镜）曲率中心的地方，这个板子包含一个微小的不透明斑块的图案，这些斑块是随机分布的，以反转对称的方式排列在板上。空间过滤的光源在测试部分上成像。这导致散射板在自身上重新成像（倒置）。

四种类型的光由散射板的第二次透射光来识别。

一部分光直接进入散射板，被镜子反射，然后在第二次遇到散射板时散射。参考光束是由这种直接散射的光产生的。
一部分光在第一次通过散射板时被散射，被镜子反射，然后在第二次遇到散射板时不变地通过。由这种散射直射光形成的测试光束与参考光束相互作用，产生干涉条纹。
在两次遇到散射板时，有一部分光直接穿过散射板。这种直射光会产生一个微小的、不受欢迎的热点。
在与散射板的两次相遇中，特定部分的光线被散射。干涉图案的整体对比度因这种散射光而降低。

侧向剪切干涉仪

图3：侧向剪切干涉仪

侧向剪切干涉仪是一种光学干涉仪，用于测量物体的横向位移。它的工作原理是将光照到物体上，分析从物体和参考表面上反射的光所产生的干涉模式。物体的横向位移可以通过分析干涉图案中的相移来确定，相移与横向位移成正比。侧向剪切干涉仪通常用于计量学和计量学研究，以及表面粗糙度的测量和机械振动的表征等应用。

在侧向剪切干涉仪中，被研究的波前通过侧向位移少量复制，然后获得原始波前和位移波前之间的干涉图案。波面可以是平面的或球形的。如果波前几乎是平面的，则通过在其自身的平面内置换波前来获得横向剪切力。而如果是球形波面，则通过围绕通过球形波面曲率中心的轴旋转，使波面沿自身滑动来获得侧向剪切力。它是测试光学元件和系统、研究气体和液体的流动和扩散现象的理想选择。图3显示了侧向剪切干涉仪的原理图。

浴式干涉仪

图4：浴式干涉仪

水浴干涉仪是一种干涉仪，用于测量光束通过液体样品时的光路长度变化。水浴干涉仪通常用于测量液体的折射率和密度，以及检测液体的物理和化学性质因温度、压力和其他因素而发生的变化。

水浴干涉仪通常包括一个光源，如低相干性的半导体激光器，一个分光器，一个平凸透镜和一个折叠镜。它主要用于测试望远镜镜面。

浴场干涉仪的原理图见图4。透镜直接粘在分光镜上，消除了两个可能沾染灰尘的表面，安装透镜非常方便。来自激光的光被分成两束，一束参考光，一束测试光。蓝色的测试光束直接穿过，来到一个焦点上，然后发散开来，填满测试镜的孔径。红色的参考光束被反射上去，从折叠镜上反弹，作为准直光束出去。在返回的路径上，测试光束反射出折叠镜，从分束立方体的底部出来，在那里与通过平凸透镜回来的参考光束结合，在那里，干涉图出现在相机镜头或眼睛上。
 

点式衍射干涉仪

图5：点衍射干涉仪

点衍射干涉仪（PDI）是一种干涉仪，用于测量由参考波路径上的一个点不连续引起的光束相位变化。PDI以衍射原理为基础，可用于测量小于测量所用光的波长的物体的特性。它的工作原理是用一个有衍射限制的小光点照亮一个物体，在远场产生一个干涉图案，提供关于该物体的信息。

在点衍射干涉仪中，刻在半透明薄膜上的针孔产生了参考光束。来自光源的光束被聚焦在一个半透明的掩模上。掩膜中心有一个孔，大约是一个气盘的大小。光束用一个傅里叶变换透镜聚焦到这个孔上。作为测试光束的二阶光束通过该孔，并与其他衍射光束（参考光束）发生干涉，形成干涉条纹。图5显示了一个点式衍射干涉仪。

共路干涉仪的应用

普通路径干涉仪可用于陀螺仪、飞秒时间分辨干涉仪、傅里叶变换光谱学、波前感应和脉冲表征等应用。这种干涉仪比常用的双臂干涉仪更紧凑、更稳定，很适合生物样品的频域光学相干断层成像。它被用于无标签蛋白质传感和抗生素引导中的典范应用，并为以内在的简单和强大的传感方式进一步检测临床或环境相关的小分子提供了可能性。使用带有反射光栅的改良型迈克尔逊系统的共路径干涉仪被用于定量相位成像。点衍射干涉仪被用于自适应光学应用。