干涉儀（Interferometer）是一種使用干涉測量技術的光學計量儀器。干涉儀可以根據不同的分類原則進行分類，例如按照干涉光的數量、獲得相干光的方法和干涉光之間的頻率差等。
干涉儀輸出的信息是干涉條紋圖，干涉條紋是干涉場中光程差相同點的軌跡，在光學測量中根據干涉條紋的形狀、方向、疏密度、顏色，以及條紋移動等情況，就可測量與光程差有關的被測光學量比如面形、折射率均勻性、平行性誤差、反射棱鏡和屋脊棱鏡的角度誤差及棱差、光學系統的波像差等。干涉儀還可用作高分辨率光譜儀器，例如基于邁克耳孫干涉儀發展起來的傅里葉變換干涉光譜儀。在天文學領域，干涉儀還用于測量星體的直徑等。干涉儀的優勢在于其靈敏度和測量精度通常優于其他光學測量儀器。此外，由于干涉測量一般是非接觸式的，因此不會對被測物體造成損傷。在未來，干涉儀的主要應用將進一步拓展到凝聚態物理學、工程學、化學和生物學等領域中的介觀結構及其動力學研究。
干涉儀的高分辨率和靈敏度將能夠提供更準確的測量結果，為這些領域的研究提供更多的信息和理解。它具有快速高效、非接觸和無損傷等特點，并在精度和靈敏度上優于其他類型的光學計量儀器。
歷史沿革
阿爾伯特·邁克爾遜干涉儀是最早的干涉儀，由美國物理學家邁克爾遜設計制作的用分振幅干涉法產生雙光束干涉的高精度儀器。利用邁克爾遜干涉儀的原理，從而得以研制出各種專用的干涉儀，并已廣泛應用于生產和科技領域，比如微小長度、角度測量、物質性質（厚度、折射率）測量及光譜精細結構分析中。
邁克爾遜干涉儀發明之初是用于“以太"漂移實驗，來觀察地球沿軌道與靜止以太之間的相對運動。在1881-1888年期間，邁克爾遜和莫雷進行了多次著名的“邁克爾遜-莫雷”實驗，實驗結果均否定了“以太”的存在，這是狹義相對論的實驗基礎之一。1893年，阿爾伯特·邁克爾遜用干涉儀測定了鎘紅線的波長，并用此波長作為標準長度，核準基準米尺的長度，其測量精度差小于m。由于發明了精密的光學干涉儀并利用這些儀器完成了重要的光譜學和基本度量學研究，邁克爾遜于1907年獲諾貝爾。
隨著想要提高邁克爾遜干涉儀的分辨率，保持雙鏡穩定以觀測到干涉條紋的難度越來越大。漢布里·布朗和特維斯在邁克爾遜星體干涉儀基礎上加以改進，研制出強度干涉儀。漢布里·布朗和特維斯在1955-1956年利用強度干涉儀做了一系列的實驗驗證，測得天狼星（Sirius）的張角為弧度，與其他實驗方式的測得值完全一致，從而證明這種裝置的有效性。隨后，他們在澳大利亞設置的雙鏡距離達到188米，分辨角達到的更大、更精準的干涉儀，隨后測量出數百個亮星的直徑。
1933年，林尼克（Linnik）于1933年首次提出了一種用于評價光學元件的簡單干涉儀。20世紀60年代激光器出現后，就有了用激光做光源的激光干涉儀。到了20世紀70年代以后，隨著計算機技術的發展，將激光干涉儀和電子計算機綜合起來的許多新的干涉儀，可以實現實時測量。1972年，斯馬特（Smartt）和安娜·斯特朗（Strong）重新應用點衍射干涉儀進行光學檢測。20世紀70—80年代，斯馬特等開展一系列針對點衍射干涉儀的工作，進一步完善點衍射干涉技術，發展出了基于部分透射針孔板的點衍射干涉儀結構，并成功將點衍射干涉儀用于構建干涉顯微鏡和大型望遠鏡鏡片的校準和檢測。
1978年，亞利桑那大學（Arizona State University）的科里奧普羅斯（Koliopoulos）等研制了一種用于測試高能激光系統的紅外點衍射干涉儀。隨著移相干涉檢測技術的出現，1986年，A.K.Aggarwal等人將其應用于研究分析透明物體由折射率微擾所引起的波前畸變。1996年，默瑟（Mercer）等設計了一種液晶點衍射移相干涉儀。該干涉儀使用一個可變形的透明塑料微球作為衍射源，取得與平板點衍射相同的功能，并用于溫度測量。2003年，Neal（The University of Arizona）報道了采用電光調制器和偏振元件實現移相的偏振移相點衍射干涉。
2021年9月，中國科學技術大學潘建偉院士團隊與麻省理工學院科研團隊合作，利用濟南量子技術研究院研制的周期極化鈮酸鋰波導，搭建顏色擦除強度干涉儀，成功分辨出1.43km距離外相距4.2mm的兩個不同波長光源，以超過單望遠鏡衍射極限40倍的結果驗證了顏色擦除強度干涉技術具備高空間分辨成像能力，相關成果在國際學術期刊《物理評論快報》發表。
分類
按照不同的分類原則，干涉儀有多種分類方式，比如按照干涉光數量分類、按照獲得相干光的方法分類、按照干涉光之間頻率差分類等。
按照干涉光數量分類
這是干涉儀的基礎分類方法，分為雙光束干涉儀和多光束干涉儀兩大類。雙光束干涉儀是將一束入射光通過分束鏡等裝置分成兩束光，這兩束光分別經過各自的光路傳輸后再次合成。邁克爾遜干涉儀、瑞利干涉儀、馬赫-曾德干涉儀、雅滿干涉儀等都屬于雙光束干涉儀。多光束干涉儀中形成干涉條紋的光束往往有很多束，法布里-珀羅干涉儀就是多光束干涉儀的典型代表。相對于雙光束干涉儀，多光束干涉儀通常具有更高的靈敏度，但其自由光譜范圍相對較小。
按照獲得相干光的方法分類
干涉儀可以根據工作原理和光路的不同進行分類，其中最基本的分類方法是將其分為振幅分割干涉儀和波陣面分割干涉儀。振幅分割干涉儀是通過界面部分反射，將一束入射光分為兩束或多束，從而形成干涉條紋。斐索干涉儀、邁克爾遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀等都屬于這一類別。波陣面分割干涉儀是通過光闌等裝置，截取單射光波陣面不同位置上的光，作為干涉光，形成干涉條紋。楊氏干涉實驗、勞埃德鏡和瑞利干涉儀等都是屬于波陣面分割干涉儀。
另外，根據干涉光傳播光路是否相同，雙光束干涉儀可以分為雙路干涉儀和共路干涉儀兩類。雙路干涉儀中，參考光束與測量光束在光路上相互分開。邁克爾遜干涉儀、馬赫-曾德爾干涉儀和雅曼干涉儀都是典型的雙路干涉儀。雙路干涉儀的優點在于可以保證待測物體不影響參考光束的傳輸，但缺點在于器件震動、溫度變化等因素對參考光束和測量光束的影響不同，需要采取隔震、隔熱等處理手段來保證干涉條紋的穩定。共路干涉儀中，參考光束和測量光束的光路相同或非常接近，從而減小了器件震動等因素的影響，適用于現場實時測量。常見的共路干涉儀包括牛頓干涉儀、點衍射干涉儀和錯位干涉儀等。
按照干涉光之間頻率差分類
雙光束干涉儀主要是根據不同的干涉原理和信號處理方式進行還可以分為光零差干涉儀和光外差干涉儀兩類。光零差干涉儀是通過兩束相干光的干涉產生干涉條紋，測量條紋的強度變化來確定光程差的變化情況，進而獲得折射率、長度等物理參量。光零差干涉儀要求參考光和測量光的強度比不能太大，需要抑制光源強度變化以及器件震動等因素引起的干涉光強直流漂移。而光外差干涉儀則利用兩束存在一定頻率差的相干光進行干涉，產生干涉條紋。干涉條紋的強度會隨時間發生周期性變化，其中差頻信號的頻率等于兩束干涉光的頻率差，通常在幾兆赫到幾百兆赫的范圍內。通過對干涉條紋的差頻信號進行交流放大、濾波等處理，可以將干涉條紋的強度信息從復雜的光強背景中提取出來，從而實現高精度測量。光外差干涉儀能夠用于現場實時測量，克服了光電探測中寬帶噪聲的影響。
基本功能和原理
目前世界各國生產的干涉儀基本原理為分振幅的等厚干涉和等傾干涉，或分波前的各種干涉。
邁克爾遜干涉儀的原理
擴展光源上任一點S發出光線單射到45°放置的平行平板G1上，在鍍有半反半透膜的下表面C上分出兩條光線，一條是反射光，射向全反射鏡M1，再返回由G1，折射和透鏡L聚焦打在焦平面P點上，設此路光線為Ⅰ。另一條光是透射光，通過與G1相同的45°鏡G2入射到全反射鏡M2上，其回程光線在G1的C面反射并通過透鏡聚焦打在焦平面P點上，設此路光線為Ⅱ。光線Ⅰ、Ⅱ產生相干。G2的作用是補償光程差，因為從C點射向M1的光線兩次通過平板G1，在Ⅱ路光線上放置G2恰好使兩路光產生的附加程差抵消。
當M1和M2垂直放置時，等效平行平板干涉，把M2鏡轉90°相當于放在M'2的位置，M1和M'2之間的空氣隙就等效為一個虛平板，同一光線在兩個面反射后程差將為：
當時為極大值m=0,1,2,3,…。
虛平板與實平板對應的程差不同，虛平板不存在反射時的位相突變，所以平行平板程差式中的半波程差可忽略。用平行平板干涉理論可以處理邁克爾遜干涉儀中的各種問題，比如干涉級、條紋角半徑和角間距的計算，干涉圖形的形狀是里疏外密同心圓環等。如果令邁克爾遜干涉儀的水平臂前后移動，相當M'2上、下移動，虛平板的厚度d將產生變化。當d變小時，由式可知，條紋角間距將增加，再由式，d減小導致高級次，即m數大的干涉級消失。所以隨d的減小，條紋向中心收縮并不斷消失，整個條紋顯得越來越疏松。當虛平板的厚度為零時，即垂直臂和水平臂的幾何距離完全相等時，干涉場看不到干涉圓環，呈現一片亮區，在移動M2鏡時，透鏡L焦平面中心每消失一個于涉環意味著M2移動距離，用這種方法可精確測量微小長度。
典型干涉儀
邁克爾遜干涉儀
邁克爾遜干涉儀演變和發展了各種干涉儀，它是由光源發出的光束射在一塊半透半反射的平行平板上，這塊平板把光束一分為二，兩條光束都幾乎以垂直方向單射于平面鏡上，經反射后又合并成一條光束，由于光程差，可以用望遠鏡觀察到干涉條紋。一般由單色光源、準直系統、半透半反射分束鏡、觀察系統組成。其主要優點是兩束光完全分開，并可由一個鏡子的平移來改變它們的光程差，可以很方便地在光路中安置測量樣品。
邁克爾遜干涉儀具有以下主要特點：
點衍射干涉儀
點衍射干涉儀可以用來測量光學系統所引入的畸變信息，其組成結構是：平面波前通過待測光學系統時，會產生畸變波前；畸變波前在經過一個中間有針孔或不透明圓盤的吸收膜片后，會通過衍射形成近似標準的球面波，成為參考波；而從針孔外部透射的光波，則僅會改變波前的輻射強度，不會改變波前所攜帶的畸變信息，它作為測量波。參考波前和測量波前會發生干涉，形成干涉條紋。通過對干涉圖的分析，可以獲得被測波前的畸變信息。為了獲得清晰的條紋對比度，參考光和測量光的強度需要大致相當。通過橫向和縱向移動針孔，可以使參考波前發生傾斜和離焦（如果單射光束的焦點偏離點衍射板上的針孔，則會引入離焦；如果針孔偏離光軸，則會引入傾斜）。這樣，點衍射干涉儀就可以產生類似于常見干涉儀的干涉圖，能夠直觀地反映被測波前的相位分布。
點衍射干涉儀具有以下主要特點：
法布里-珀羅干涉儀
法布里-珀羅干涉儀是一種光學儀器，由兩塊平行放置的平面玻璃板或石英板組成。兩板的內表面通常鍍有銀或鋁膜，或涂有多層介質膜，以增強表面的反射。這樣可以形成一個具有高反射率的光學腔，用于產生干涉條紋。這兩塊板之間有一個小的楔角，通常在1'~10'的范圍內，它可以避免發生在無鍍膜表面上的反射光的干擾。兩塊平板之間的間隔可以調節，以改變光程差。如果在兩板之間放置一個間隔圈，使得兩板之間的距離保持不變，則稱其為法布里-珀羅標準具。法布里-珀羅干涉儀使用擴展光源進行照明，產生的干涉條紋比邁克爾遜干涉儀產生的等傾干涉條紋更加精細。條紋干涉級別取決于空氣平板的厚度。一般情況下，法布里-珀羅干涉儀的使用范圍是1~200mm。有些特殊裝置中，空氣平板的厚度可以達到1m。條紋干涉級別越高，干涉條紋越尖銳，分辨率也越高。法布里-珀羅干涉儀主要用于研究光譜線的超精細結構，例如自由光譜范圍標準具常數、分辨本領和角色散等。利用已知尺寸的標準具，可以測量其他標準具和工件的長度。此外，法布里-珀羅干涉儀還可以用作激光器的諧振腔。
法布里-珀羅干涉儀具有以下主要特點：
特點
干涉儀是以干涉測量技術為核心的光學計量儀器，它具有快速高效、非接觸、無損傷等特點，并在精度和靈敏度上優于其他類型的光學計量儀器。干涉儀輸出的信息是干涉條紋圖，通過分析干涉條紋的形狀、方向、疏密度、顏色以及條紋移動等情況，可以測量與光程差有關的光學量，包括面形、折射率均勻性、平行性誤差、棱鏡的角度誤差和棱差、光學系統的波像差等。干涉條紋的形狀可以提供被測物體的面形信息，如平面或曲面的形狀。干涉條紋的方向可以提供被測物體的平行性誤差信息，如判斷兩個表面是否平行。干涉條紋的疏密度可以提供被測物體的折射率均勻性信息，如判斷材料的均勻性。干涉條紋的顏色和條紋移動情況可以提供被測物體的角度誤差和棱差信息，如判斷棱鏡的角度誤差和折射面的折射率誤差。干涉條紋的形狀和位置變化還可以提供光學系統的波像差信息，如判斷透鏡的球差、色差等。因此，通過分析干涉條紋圖，可以得到被測光學量的信息，實現精確測量和檢測。干涉測量的誤差只有很少一部分來自干涉儀本身，絕大多數誤差來自環境。例如，空氣的溫度、壓力、濕度不同則空氣折射率不同，激光的波長依空氣折射率而變化。
應用和發展
干涉儀廣泛應用于光學測量領域，常用于以下方面的測量和檢測：
干涉儀作為一種光學測量裝置，可以提供與波函數振幅和相位有關的信息。在未來，干涉儀在凝聚態物理學、工程學、化學和生物學等領域中的應用將主要集中在研究介觀結構及其動力學性質上。在微納米尺度柔性測量系統的發展中，干涉儀將起到重要作用。目前，納米級柔性測量系統主要使用光學測量方法（以激光干涉為代表）和非光學測量方法（以掃描探針顯微鏡（SPM）為代表）。激光干涉儀與光纖傳感技術的結合使得干涉儀具有了更好的小型化和集成化能力。光纖的可集成性、可遠距離傳輸和抗干擾能力強，使其在干涉儀的光傳導部分起到了重要作用。隨著技術的不斷發展，干涉儀在微納米尺度柔性測量系統中的應用有望進一步拓展。這將有助于實現更高精度和更復雜的測量，進一步推動凝聚態物理學、工程學、化學和生物學等領域的研究和應用的發展。
參考資料 >
我國科學家實現高空間分辨成像 超傳統衍射極限40倍_新聞_央視網(cctv.com).央視網.2021-09-04