马赫-曾德尔干涉仪 马赫-曾德尔干涉仪是一种基于光干涉原理的精密光学仪器。理解它需要从最基本的概念开始，逐步构建。 第一步：光的波动性与干涉原理 光是电磁波，具有波动的特性，如振幅、频率、相位和波长。当两列或多列频率相同、振动方向相同且相位差恒定的光波在空间中相遇时，它们会相互叠加，导致某些区域的合光强增强，某些区域的合光强减弱，形成稳定的明暗相间的条纹，这种现象称为 干涉 。这是所有干涉仪工作的物理基础。 第二步：分振幅法与干涉仪的基本构成 要实现干涉，需要将一束光分成两束，让它们经过不同的路径后再重新汇合。马赫-曾德尔干涉仪采用 分振幅法 ，即使用部分反射镜（分束器）将一束入射光按一定比例分成两束。其核心由四个光学元件按矩形排列构成： 第一个分束器 (BS1) ：将入射光分成两束，通常为等光强分束（50/50分束）。 第一面反射镜 (M1) ：反射其中一束光。 第二面反射镜 (M2) ：反射另一束光。 第二个分束器 (BS2) ：将经过不同路径的两束光重新汇合并发生干涉。 第三步：光路与相位差的产生 被BS1分开的两束光，一束经M1反射后射向BS2，另一束经M2反射后射向BS2。两束光在BS2处汇合前，所走过的 几何路径 可能不同。由于光程（几何路径长度乘以介质折射率）不同，两束光之间会产生 相位差 。根据波动光学，相位差 \(\Delta \phi\) 与光程差 \(\Delta L\) 的关系为：\(\Delta \phi = \frac{2\pi}{\lambda} \Delta L\)，其中 \(\lambda\) 是光在真空中的波长。 第四步：干涉输出的形成 在BS2处，两束光发生干涉。BS2也是一个分束器，它会将每束入射光再次分成透射和反射两部分。因此，干涉仪通常有两个输出端（输出端口1和输出端口2）。根据两束光在BS2处相遇时的相位差，光强会在两个输出端口之间进行分配。当相位差为 \(2\pi\) 的整数倍（相长干涉）时，光强主要集中在一个端口；当相位差为 \(\pi\) 的奇数倍（相消干涉）时，光强主要集中在另一个端口。 第五步：核心应用：相位测量与传感 马赫-曾德尔干涉仪的独特优势在于它的两束光完全 空间分离 ，形成两条独立的“臂”（参考臂和探测臂）。这使得我们可以方便地在其中一条光路中引入待测样品或改变其物理条件（如长度、折射率、温度、压力等）。任何引起探测臂光程变化（\(\Delta L\) 改变）的因素，都会改变两束光之间的相位差 \(\Delta \phi\)，最终导致两个输出端口光强的重新分布。通过监测输出光强的变化，就能极其灵敏地反推出待测物理量的变化。这种原理被广泛应用于： 光学传感 ：测量折射率微小变化（用于化学、生物传感）。 光学调制 ：在通信中，通过电光、热光效应改变一臂的折射率来调制光信号。 表面形貌测量 ：测量放置在光路中样品的厚度或平整度变化。 量子光学 ：作为实现光子纠缠、进行量子逻辑操作的关键元件。 总结来说，马赫-曾德尔干涉仪通过分束、空间分离光路、再合束干涉的过程，将难以直接测量的微小物理量（折射率、长度等）转化为易于探测的光强信号，是精密测量和现代光子学中不可或缺的工具。