迈克尔逊干涉仪核心原理：光波的相干与叠加

有一些实验设备不仅改变了科学进程，更重塑了人类对宇宙的认知。迈克尔逊干涉仪，正是这样一台具有划时代意义的精密光学仪器。由美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊于19世纪80年代发明，它最初旨在探测神秘的“以太”是否存在，却意外地催生了相对论，并从此成为光学测量领域的基石。它以光波自身的波长为“尺子”，实现了对长度、折射率、波长等物理量的纳米级乃至皮米级精度的测量。

一、核心原理：光波的相干与叠加

迈克尔逊干涉仪的魅力源于其巧妙利用光的干涉现象。其核心设计是将一束光分成两路，让它们经历不同的路径后再次相遇，从而产生明暗相间的干涉条纹。

其基本光路结构如下：

1.分光：来自光源（通常为单色性好的激光或钠灯）的光束，射向一块分光板（Beam Splitter）。这块半透半反镜将入射光分成两束：一束透射（光束1），另一束反射（光束2）。

2.行径：光束1垂直射向固定镜（Fixed Mirror），被反射回分光板。光束2垂直射向动镜（Movable Mirror），同样被反射回分光板。

3.汇合与干涉：两束光返回分光板后，其中一部分光最终汇合，并射向观察屏或探测器。由于两束光来自同一光源，它们是相干的。当它们相遇时，其光程差（Δ）决定了干涉效果：

-当光程差Δ=kλ（k为整数）时，相长干涉，形成明条纹。

-当光程差Δ=(k+1/2)λ时，相消干涉，形成暗条纹。

4.测量：通过精密移动动镜，改变光束2的光程，观察屏上的干涉条纹便会发生明暗交替的变化。每移动半个波长（λ/2）的距离，光程差就改变一个波长（λ），视场中就会移过一个条纹。因此，通过计数条纹移动的数目（N），即可反推出动镜移动的精确距离：d=N×λ/2。

二、系统架构：简约而不简单

-光源：提供单色性好、相干性高的光，如氦氖激光器。

-分光板：核心部件，将一束光精准地分为两束。

-固定镜与动镜：表面平整度平面反射镜。动镜安装在可通过精密丝杠移动的平台上。

-补偿板：为了消除分光板对两束光路不对称性（一束光三次通过玻璃，另一束只通过一次）引入的光程差，通常会加入一块与分光板材质、厚度相同的补偿板。

-探测系统：人眼观察屏或光电探测器，用于记录条纹的变化。

三、历史性应用与核心价值

1.迈克尔逊-莫雷实验（1887年）：这是该仪器最著名的应用。迈克尔逊和莫雷试图通过测量不同方向上光速的差异来证明“以太”的存在。然而，实验结果却是“零结果”，即未发现任何以太风的存在。这一“伟大的失败实验”撼动了经典物理学的根基，为爱因斯坦提出狭义相对论（光速不变原理）提供了至关重要的实验依据。

2.长度与位移的精密测量：以其波长作为天然标尺，迈克尔逊干涉仪是长度计量学的基准。至今仍是校准其他测长仪器、测量微小位移（如材料的热膨胀、压电陶瓷的形变）的最高精度方法之一。

3.折射率测量：将待测气体或透明固体放入一支臂的光路中，通过观察条纹移动数目，可极其精确地计算出该物质的折射率。

4.光谱学应用：通过移动动镜对干涉图进行傅里叶变换，可以反推出光源的光谱分布，这就是傅里叶变换红外光谱（FTIR）的核心技术，广泛应用于物质成分分析。

5.引力波探测：现代巨型引力波探测器（如LIGO）在本质上就是放大了数亿倍的迈克尔逊干涉仪。它通过监测两束激光极其微弱的光程差变化（小于一个质子直径的万分之一），来捕捉宇宙深处天体事件引发的时空涟漪。

四、技术优势与局限

优势：

-精度：测量精度可达纳米级，是光学测量的黄金标准。

-非接触测量：对被测物体无损伤，无反向力。

-灵敏度高：对光程的微小变化极其敏感。

局限：

-对环境要求苛刻：振动、气流、温度波动都会严重影响干涉条纹的稳定性，通常需要在隔振光学平台上操作。

-测量范围与精度矛盾：高精度测量通常只在有限范围内有效。