零差检测

干涉测量术（interferometry）是基于电磁波的干涉理论，通过检测相干电磁波的干涉图样、频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关测量的技术的统称。用于实现干涉测量术的仪器被称作干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量术都发挥着重要作用，包括天文学、光纤光学、工程测量学等。

一般而言，干涉测量术可以分为两种基本类型：零差检波和外差检波。

在零差检测中，待测电磁波和一个已知的参考信号（经常被称作本地振荡器）进行混波，而待测信号和参考信号的载频是相同的，这样得到的干涉光场可以消除电磁波本身频率噪声所带来的影响。经典的光学零差检波装置如马赫-曾德尔干涉仪，其待测信号和参考信号来自同一波源。

简介干涉测量术（interferometry）是基于电磁波的干涉理论，通过检测相干电磁波的干涉图样、频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关测量的技术的统称。用于实现干涉测量术的仪器被称作干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量术都发挥着重要作用，包括天文学、光纤光学、工程测量学等。一般而言，干涉测量术可以分为两种基本类型：零差检波和外差检波。在零差检测中，待测电磁波和一个已知的参考信号（经常被称作本地振荡器）进行混波，而待测信号和参考信号的载频是相同的，这样得到的干涉光场可以消除电磁波本身频率噪声所带来的影响。经典的光学零差检波装置如马赫-曾德尔干涉仪，其待测信号和参考信号来自同一波源。1

基本原理一般而言，干涉测量术可以分为两种基本类型：零差检波和外差检波。

零差检测在零差检测中，待测电磁波和一个已知的参考信号（经常被称作本地振荡器）进行混波，而待测信号和参考信号的载频是相同的，这样得到的干涉光场可以消除电磁波本身频率噪声所带来的影响。经典的光学零差检波装置如马赫-曾德尔干涉仪，其待测信号和参考信号来自同一波源。

外差检测外差检测是两束频率不同但相近的相干电磁波的干涉，最早在美籍加拿大发明家雷吉纳德·费生登的研究中被提到。它通过将待测电磁波和参考信号进行混波，实现对待测电磁波的频率调制。现今这种方法已被广泛地应用于远程通信和天文学领域的信号探测和分析中，其中以无线电波、红外线、可见光的干涉最为常见。待测信号和参考信号的频率相近而不完全相同，在外差检测中，两列波同时入射到一个混频器件——通常为（光）二极管——此时两者发生外差干涉。

如果设待测信号的电场为，参考信号的电场为，则发生外差干涉后在混频器件中接收到的光强为

最后的结果显示干涉光强来自三项不同的贡献：直流项（常数项）、高频项和拍频项（低频项），在外差干涉中前两者通常会被滤波器滤去，只保留较低频率的拍频。1962年，人们观察到两列频率非常接近的激光在光检测器上干涉会产生拍频，从那以后外差检测技术得到了飞速的发展，对拍频频率或相位的测量可以达到非常高的精度，从而对长度的干涉测量产生了深远的影响。2

实际应用光学干涉测量

可见光的干涉测量是干涉测量术中最先发展同时也得到最广泛应用的类别，早期的实际应用如迈克耳孙测星干涉仪对恒星角直径的测量，但如何获取稳定的相干光源始终是限制光学测量发展的重要原因之一。直至二十世纪六十年代，光学干涉测量技术得到了飞速的发展，这要归功于激光这一高强度相干光源的发明，计算机等数字集成电路获取并处理干涉仪所得数据的能力大大提升，以及单模光纤的应用增长了实验中的有效光程并仍能保持很低的噪声。电子技术的发展使人们不必再去观察干涉仪产生的干涉条纹，而可以对相干光的相位差直接进行测量。这里列举了光学干涉测量在多个方面的一些重要应用。

长度测量

长度测量是光学干涉测量最常见的应用之一。如要测量某样品的绝对长度，最简明的方法之一是通过干涉对产生的干涉条纹进行计数；若遇到非整数的干涉条纹情形，则可以通过不断成倍增加相干光的波长来获得更窄的干涉条纹，直到得到满意的测量精度为止。常见的方法还包括惠普公司研发的惠普干涉仪，它通过外加一个轴向磁场使氦－氖激光器工作在两个相近频率，从而发出频率相差2兆赫兹的两束激光，再通过偏振分束器使这两束激光产生外差干涉。干涉得到的差频信号被光检测器记录，而待测样品引起的光程差变化则可以通过计数器表示为光波长的整数倍。惠普干涉仪可以测量在60米左右以内的长度，在附加其他光学器件后还可以用于测量角度、厚度、平直度等场合。此外，还可以通过声光调制的方法得到差频信号，并且这种方法能获得更高的差频频率，从而可以从差频信号中得到更高的计数。

长度测量的另一类情形是测量长度的变化，常见的方法如借助声光调制产生的外差干涉，差频信号所携带的相位差会被光检测器记录，从而得到长度的变化。在测量像熔凝石英这样热膨胀系数很低的材料的热膨胀系数时，还经常用到一种更精确的方法：将两面部分透射部分反射的玻璃板置于待测样品的两端，从而构成一个法布里－珀罗干涉仪。使用两束发生外差干涉的激光，并通过反馈将其中一束激光的频率锁定到法布里－珀罗干涉仪的一个透射峰值频率上。这样，当样品发生热膨胀而改变法布里－珀罗干涉仪的长度时，透射峰值频率的变化会引起被锁定的激光频率的相应变化，这一变化也会反映到外差信号中从而被探测到。

光学检测

光学检测包括对光学元件和光学系统的检查和测试，诸如利用等厚干涉条纹来测量玻璃板各处的厚度，以及测量照相机镜头的调制传递函数（MTF）等都属于这类应用。利用等厚干涉来检测样品表面是否平整的最常见方法是斐索干涉仪，它利用准直平行光在样品表面反射后与入射光发生干涉，从而得到等厚条纹。此外，还可以采用从迈克耳孙干涉仪改进而来的特怀曼－格林干涉仪。特怀曼－格林干涉仪也使用准直平行光源，并由于从迈克耳孙干涉仪改进而来，它可以使两束相干光的光程非常接近，从而相比于斐索干涉仪它对光源的相干长度要求有所降低。

另一类广泛应用于检测光学元件表面、光学系统像差以及测量光学传递函数的干涉仪是剪切干涉仪，它将待测样品出射的波前分成两个，并使其相互错开一定距离（这段距离被称作剪切），两个波前重叠的部分即产生干涉图样。剪切干涉仪分为切向剪切、法向剪切和旋转剪切等类型：切向剪切干涉仪通常是一块平行平面板或略呈角度的劈尖，准直光源入射到平行平面板上就形成了两束错开的相干光；而法向剪切干涉仪则类似于斐索干涉仪和特怀曼－格林干涉仪。剪切干涉仪的优点是省去了作为参考的光学表面，结构简单且两束相干光的光程基本相等，而缺点则是对干涉图样的数值分析比较繁琐。3

参见衍射

摩尔纹

干涉仪列表

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学