邁克森干涉實驗的問題

Question

1.干涉條紋的來源為何?為何要使用雷射光來進行干涉實驗?


2.干涉條紋可以分為那兩大類?其形狀為何?

Answer 1

干涉儀由於其精密性，而可運用於各種量測分析上，但是如果缺
乏有力的分析處理程式，將使得干涉條紋的分析處理倍加困難。本專
題希望借助電腦的運算能力及影像處理的技巧，建立一套對干涉條紋
的分析方法，以解決人工分析的困難及錯誤。
所謂干涉，是指兩個有週期或規則性的波相遇而形成的現象。如
想利用這干涉現象，希望讓讀者清楚分辨且能夠持續一段時間。廣義
來說，疊紋也是一種干涉，在此只討論光的干涉方式。
干涉儀是利用光的特性，將相同特性的兩個或多個光源的光波，
相互會合，因相位得差異，產生光的強或弱現象。光的干涉方式可按
波動說的解釋：光以正弦波方式前進，若頻率相同的光波向同一方向
前進，會產生光波增強的現象，若相位差１８０度，兩光波會相互干
涉而抵銷，該處得黑暗的條紋。利用此條紋可進行待測物之物理量的
定量分析。
麥克森干涉儀是利用光波的干涉，而使量測的精度提高到個波長
以內，是許多干涉的始祖，利用部分反射平面鏡使光束振幅區分成兩
束，兩光柱進行的方向及相位不完全相同，當再相遇時便形成干涉條
紋。只要能瞭解干涉儀的基本原理和調整方法，便可進一步利用麥克
森干涉儀來作一些量測。


圖片參考：http://ace136.auto.fcu.edu.tw/scteach/mik/1-1.gif


由麥克森干涉儀所產生之干涉條紋大致上可分為：
a﹑直線條紋：將雷射光束直接經過分光鏡及反射鏡後，先不擴
束，而將屏風上之兩點會合，便可以得到直線條紋。由於雷射光束甚
小，必須使用放大鏡方可以觀察。
b﹑圓形條紋：直線條紋為兩平行光束干涉而成的結果，圓形條
紋則是兩球面波光束互相干涉的結果。
c﹑雙曲線條紋：通常發生於兩個面鏡所呈之像不互相平行，其
出現的主因是未使用補償器。
麥克森干涉儀在量測上的運用﹐有以下幾個領域：
a﹑平面度之數位化影像處理：要利用干涉條紋來計算待測面之
平面度，平行度及高度是一件相當累人的工作。因此使用干涉儀是一
種趨勢，而麥克森之平面度之數位化影像處理優點在於干涉條紋較清
楚，並且可以任意取出分析，不受限制。
b﹑微小距離檢測：在長度量測方面，傳統的麥克森干涉儀有很
大的貢獻，而麥克森干涉儀採用的光源是雷射，能使待測光及參考光
的光程拉長，仍會有干涉的現像，此原理可用來作檢測之用及工具機
校正工作上。雷射干涉儀之反射鏡用立方角反射鏡（Cube Concer）
這是為了對準光束之中心，反射鏡將光線以平行於入射角的方向將光
線反射回去。而干涉儀必需有穩定之裝置，因為雷射干涉儀比干涉儀
複雜，但Micheison干涉儀的基本原理和調整方法中，仍可進一步利
用Micheison干涉儀來作一些微小距離檢測量測實驗。
c﹑非同調的單色光光源波長校驗：此條紋會出現多道彩色的現
象，可見非同調的單色光其頻寬仍然會很大。
d﹑光源同調長度之量測：利用片反射鏡的位置調整二道光束得
路徑差，同一光源分二道光束，若路徑差小於同調長度，會形成干涉
條紋。若干涉條紋對比為零時，此光束無相干之作用，也就不同調了。
e﹑工作系統穩定性之量測：觀察圓形條紋，計下明紋及暗紋之
相互位置，當位置不穩定時，明紋會移向暗紋，因此而得工作系統之
穩定度。
一般而言，干涉條紋的位置會移動，主要因二片反射鏡的位
置有相對位移所引起，至於雷射，擴束器之相對位移則影響不大。
本專題所完成的程式是由 Ms-C寫成，再配合IPLab影像處理程
式庫，由於在Ms-C的程式庫內，缺乏強力的圖形處理函式，加上
IPLab對顯示卡有所挑剔，所以本專輯是利用486PC配合ET4000 之
顯示卡來從事實驗，並建立幾項特殊的影像處理功能，執行本程式應
注意顯示卡相容的問題。

Answer 2

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