什么是迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer）？

迈克尔逊干涉仪是一种精密仪器，它通过将相干光束分成两个独立的光路，然后在光路不同的情况下将它们重新组合，从而产生干涉条纹。它也是一种分束干涉仪，将光束分成两段或多段。该装置由两面镜子、一个分光镜和一个补偿板组成。1890 年，美国物理学家阿尔伯特-A-迈克尔逊发明了这种分幅装置。它仍然是现代实验室的重要工具，通常用于测量未知光源的波长、探测极小的距离以及研究光学介质的特性。

迈克尔逊干涉仪的构造

如图 1 所示，迈克尔逊干涉仪由三个反射镜组成：两个反射镜（高度抛光反射镜）M1（固定）和 M2（活动）、一个分光镜（半透明反射镜）和一个补偿玻璃板。M1 和 M2 与分光镜的距离不同。镜面的排列方式可使光束沿着来时的路径直接反射回去。分光镜和补偿玻璃板以 45° 角平行放置在两面镜子之间。分光镜的另一侧是半硅化的，这样来自光源的光就能被它平等地反射和传输，从而为振幅的划分铺平了道路。

迈克尔逊干涉仪的工作原理

当来自单色光源的光通过分光镜时，会产生两束相互垂直且强度相等的光。落在分光镜上的一半光被反射到反射镜 M1 上，再通过分光镜反射回观察者。如图 2 所示，原光束透射的一半被反射镜 M2 反射回来，然后穿过分光镜到达观察者。当光束在分光镜处重合时，相干光束会相互产生建设性或破坏性干扰，从而观察到条纹。

我们把由分光镜和 M1 反射的光束视为光束 A，把通过分光镜传输并由 M2 反射的光束视为光束 B。

光束 B 在分光镜的厚度上穿过三次，而光束 A 只穿过分光镜一次。这就为光束 B 带来了额外的光路，即使 M1 和 M2 与分光镜的辐射距离相同。

为了补偿这个额外的光路，在分束器和 M1 之间引入了一个补偿板。补偿板是一个与分光镜相同的透明玻璃块（没有银涂层）。两束光之间的任何相位差都完全是由于补偿板在位时它们的传输距离不同造成的。

干扰

干涉的类型取决于每束组合光的相对相位。这取决于路径长度差 2d1 - 2d2，其中 d1 是分光器与 M1 之间的距离，d2 是分光器与 M2 之间的距离。

迈克尔逊干涉仪的相位差来自干涉仪两臂之间的路径差。此外，由于光束 B 在分光镜处发生内部反射，而光束 A 则发生外部反射，因此还会产生额外的相位差 π。

因此，相位差为

其中，m 是条纹的阶数 = 0、1、2......。

θm 是第 m 阶条纹的角度，λ 是入射光的波长。

建设性干涉

在建构干涉中，波幅相加产生强度最大的光束，从而观察到明亮的图像。如图 4 所示，最大建设性干涉的条件是

当路径长度差为波长的整数倍时，重组光束将处于同相状态，因为它们都来自同一光源。合并光束的振幅将是各光束振幅之和。

破坏性干涉

相反，在破坏性干涉中，如果两束光的相位发生破坏性干涉，重组后的光束将相互抵消。

如图 5 所示，最大破坏性干扰的条件是

当路径长度是波长的奇数半整数倍时，重组光束的相位将完全不一致。合并光束的振幅将是各光束振幅之差。此外，如果分束时光束的振幅相等，则合束的振幅为零。

迈克尔逊干涉仪的应用

迈克尔逊干涉仪是使用最广泛的干涉仪类型之一。迈克尔逊干涉仪的一些应用包括

测量光速
测量微小位移，如两面镜子之间的距离或薄膜的厚度
测量材料的折射率
探测引力波
研究表面特性，如粗糙度和平面度
分析光源（包括恒星和气体）的光谱
测量运动物体发出的光的多普勒频移
测试相对论的有效性
开发和测试光学元件和系统，如镜子和透镜
利用激光研究原子和分子的特性。