什么是马赫-泽德干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer）?

干涉仪是一种根据干涉原理工作的仪器，它涉及两种或两种以上波的叠加，从而产生一种干涉图案，可用来提取原始波的信息。干涉仪已被用于研究从光的特性到分子结构等各种问题，其应用范围仍在不断扩大。

马赫-泽恩德干涉仪是一种测量两束准直光之间相对相移的干涉仪。它也是一种基于振幅的分光干涉仪，由两个分光镜和两个反射镜组成。在马赫-泽恩德干涉仪中，与迈克尔逊-莫雷干涉仪不同的是，每束光都沿着不同的路径前进，然后在第二个分光镜的下游重新结合。然而，干涉仍然是由于两束波的相干叠加造成的。

此外，由于马赫-泽恩德干涉仪有两条不同的光路，因此对准这种干涉仪比对准迈克尔逊-莫雷干涉仪更具挑战性。


图 1：马赫-泽恩德干涉仪

入射光在第一个分光镜处被分成两个独立的光路。每束光从一面镜子上反射出来，然后在第二个分光镜的末端重新结合，产生的干涉图案取决于两束光之间的相位差。相位差或等效光路可以通过对其中一个分光镜或一个反射镜稍作改动，有意引入，以产生微小的不对称。

如果两束光的光路长度之差小于光源的相干长度，就会产生干涉条纹。相干长度表示光波保持相位关系的距离。

当两束光的光路长度之差在光源相干长度之内时，光波仍会发生建设性或破坏性干涉，从而形成干涉条纹。这些干涉条纹可以通过干涉图案中的亮带和暗带观察到。

由于光源的相干长度可能极短，因此马赫-泽恩德干涉仪中的精密元件和仔细校准至关重要，以确保两束光的光路长度几乎完全相同。要保持干涉条纹的可见度和清晰度，这种精度是必不可少的。

通过在其中一个光束路径上放置样品，可以测量由于样品造成的光路长度差异。这种测量是通过观察干涉条纹的变化来实现的。这些变化提供了有关被测样品属性和特征的宝贵信息。马赫-泽恩德干涉仪能够测量如此微小的光路长度差异，因此成为各种科学和工程应用中的有力工具。

光束传播过程中的相位变化

马赫-泽恩德干涉仪的 "输出 "有两个，一个与进入的光束平行，另一个正交。

平行输出

平行输出显示，两束光束分别在路径 P1 和 P2 经过两次反射后到达。

图 2：探测器 1

P1：来自分光镜 1 (BS1) 的第一次反射（π 相移）、来自反射镜 1 (M1) 的第二次反射（π 相移）和来自分光镜 2 (BS2) 的传输：总相移 = 2π 相移
P2：从 BS1 传输，从反射镜 2 (M2) 第一次反射（π 相移），从 BS2 第二次反射（π 相移）：总相移 = 2π 相移
P1 和 P2 相位相同，都累积了相当于一个波长的 2π 相移。

正交输出

正交输出时，一束光经过三次反射后到达（O1），另一束光经过一次反射后到达（O2）。



图 3：探测器 2

O1：第一次反射来自 BS1（π 相移），第二次反射来自 M1（π 相移），第三次反射来自 BS2，相移为 0，因为它是从分光镜的另一侧反射过来的
O2：来自 BS1 的传输，来自 M2 的单次反射（π 相移）和来自 BS2 的第二次传输


图 4：相移

因此，O1 和 O2 的光束与 π 不同相位，从而产生破坏性干扰，第二输出端无法检测到任何光线。可通过探测器 D1 和 D2 观察输出。

马赫-泽恩德干涉仪的应用

马赫-泽恩德干涉仪因其宽敞、易于接近的工作区域以及定位条纹的灵活性，已成为流动可视化研究的首选。

它通常用于等离子物理学、空气动力学和传热学领域，测量气体的温度、密度和压力变化。
此外，它还作为电光调制器应用于光纤通信领域，可在几千兆赫兹的频率范围内提供高带宽的电光振幅和相位响应。它们通常被集成到单片集成电路中。
此外，它还用于研究量子纠缠，而量子纠缠是量子力学最反直觉的预言之一。
马赫-泽恩德配置在全息干涉测量中也很受青睐，因为它能够在不干扰目标通道的情况下轻松控制参考通道中的光特征。使用离轴、频移参考光束的光学外差探测特别适用于拍摄噪声受限的全息摄影、测振仪和视频速率相机的血流激光多普勒成像。