用“牛眼”型麦克尔逊干涉仪测量入射激光

　　1 实验仪器简介

　　在激光对抗中，要求能实时对入射激光的波长和入射角进行测量，从而实施有效的应对方法。传统的光干涉测量主要是通过迈克尔逊和 F-P 干涉仪来进行，这些仪器在实用上存在一些问题，如体积大、不便于调节等。实验中对经典的麦克尔逊干涉仪进行了改进，光学系统见图1，激光从左面射入，R′和 R″表示球面反射镜 1 和 2，N 表示 R″的像，M 表示半透半反镜，a′表示 R′和 N 之间的距离。由于使用两个球面反射镜代替了原有的平面反射镜，使得干涉加强，干涉图更清晰，对比度高，条纹受环境光强影响小。同时，由于本身成的就是会聚像，省去了成像透镜，系统体积更紧凑。下一节将重点分析这种干涉条纹的特点。

　　图2 是这种干涉仪拍摄的原始图。图中是一组不等间距的同心圆环，中间稀疏，边缘密集，状如牛眼，故称之为牛眼环。

　　2 条纹分析

　　2.1 原理分析

　　由于球面反射镜的聚焦作用，使得入射的激光被会聚，这样就使得原有基于等倾干涉的干涉场有了根本性变化。经过图1 中的球面反射镜1 和2 后，激光会在系统垂直方向的光轴上形成两个会聚像点 L′和 L″，间距为 a。调整系统 CCD 的距离，使得两个点像成像在 CCD 前。这样，CCD 上拍摄到的就是两个点像间的干涉图，其原理也变成点光源干涉。如图3，L′和 L″表示球面反射镜 1 和 2 的会聚像点，a 表示 L′和 L″之间的距离，g 表示 L″和接收面之间的距离，S′表示干涉图上任一点，S″表示 L′和 L″连线与接收面的交点。ù 表示两光线夹角。dS表示 S′和 S″的直线距离，即某一亮环的半径。入射的平行光被球面镜会聚后，分别成像于它们的像点 L′和 L″，之后变为发散的球面波并在像点下面形成空间干涉条纹。我们设 L′和 L″后的发散球面波的振幅分别为

式中A 和r 分别表示球面波的振幅和距球心的距离。在测量平面上的光强其实就是这两个球面波叠加的结果，总振E= E1+E2。由于A1和A2都是常数，不影响最后的表达，不妨设 A A1A2。则光强经计算可表示

式中r1和 r2是发散球面波波阵面距离球心的距离。在接收面上，y 为定值，所以 r1和 r2只与 x 和 z 有关系。显而易见，当 x2+z2为常数时，条纹亮度不变，所以条纹的分布一定是在接收面上形成圆环。由于光强分布与 r 成反比，所以该光学系统得到的圆环内疏外密。当入射光刚好沿接收系统水平光轴入射时，调整干涉环的中心在 CCD 摄像头的标尺中心。随着入射光的入射角度不同，圆心位置会发生偏移;不同波长的激光入射，圆环的间隔也会不同。