實驗八 麥克森 (Michelson) 干涉儀實驗題目1. 試進行調整得到直線條紋2. 試進行調整得到圓形條紋3. 試進行調整得到雙曲線條紋4. 試進行光源同調長度之量測。5. 試進行溫度場之量測。6. 試進行工作系統穩定性之量測。 一.前言所謂干涉，乃指兩個有週期性或規則性的波相遇而形成的現象。如果我們想利用這個干涉現象，就必須希望這個干涉現象能夠讓觀測者清楚分辨並且能夠持續一段時間。我們可以疊紋(Moire)來瞭解麥克森干涉儀兩個的光場疊加在一起產生干涉條紋的原因，就二組直線狀的光柵 (grating)之 Moire 條紋而言，兩光柵間有少量角度差或有少量頻率差（兩個並不完全相同但非常近似的訊息），都可以產生 Moire，用這原理可以量測兩光柵間之微細位移現象。通常在主尺表面刻劃上一組光柵而在此尺之前擺上一參考光柵作為副尺，當副尺產生位移而與主尺光柵會產生 Moire 干涉條紋移動之現象，而將小的位移量放大成大信號。麥克森干涉儀之干涉條紋千變萬化，視其所分出之兩個的光場而有所不同，有直線形狀、圓圈形狀、雙曲線形狀、橢圓形狀等，因此我們模擬麥克森干涉儀之兩個的光場疊加時必須使用各種形狀的光柵來合成疊紋。廣義的來說，疊紋也稱得上是一種干涉，但在此我們的討論範圍侷限於光的干涉方式。我們可以把干涉儀的兩道光場予以剖析，前面一道光場，與後面第二道光場只有極微細的差異，當兩個以上的光場疊加在一起，即產生了干涉條紋，也就能夠將微小的差異量放大成大信號。總而言之，光學干涉量測技術就如同一般的許多量測行為一般，將兩個並不完全相同但非常近似的訊息疊加在一起，這時我們不會去留意訊息中相同的部份，反而是訊息中那些細微的不同之處在疊加時顯現出來，因而使得訊息中極細微的不同變化量成為很明顯的信號麥克森干涉儀因此十分靈敏，正由於麥克森干涉儀的靈敏特性，因此極微小的量也可以察覺。甚至我們可以說，越是微小的量，越能得到精確的測量結果，如果待測值太大，反而因干涉條紋過密，得不到正確的測量值呢! 干涉儀是利用所使用之光的特性，將來自有相同特性的兩個或多個光源的光波，在空間某點相互會合，因相位之間的差異而產生光強度變強或弱的現象，我們稱之為干涉。所謂有相同特性的光源，是指具有相同頻率和穩定的相位關係的光源 （例如有相同的相位差）。在使用兩道光作干涉時，有時必須注意到兩者的偏極性，以免雖然兩道光交會了，卻沒有干涉條紋產生。通常比較容易出現光束偏極特性偏轉的情形，是利用面鏡將光束之水平面高度上升或下降時引起的，如果將光束分光後即保持在同一水平面，便比較沒有這一層顧慮。在組合各種類型的實驗時，無論是太曼格林 (Twyman Green) 干涉儀、麥克詹達干涉儀 (Mach-Zender)、菲索 (Fizeau )干涉儀、剪像(shearing)干涉計、法布里派洛 (Fabry-Perot)干涉儀和麥克森 (Michelson) 干涉儀，皆屬於一種以光的干涉方式進行的量測技術，必須留意到光束偏極特性的問題，這點是常為眾人所忽略的地方。光的干涉方式可按波動說的解釋：光以正弦波的波形前進，因此兩相同頻率及相同相位的光波向同一方向前進，即波峰對波峰，波谷對波谷時，會產生光波增強的現象，該處即得明亮條紋。若兩相同頻率，相位差 180 度，即波峰對波谷，波谷對波峰時，兩光波會互相干涉而抵銷，該處即得黑暗的條紋。利用條紋數及其分佈情形即可進行待測物之物理量差異的定量分析。二.干涉儀之分類一些傳統的干涉儀使用非同調光（通常是單色光）即可進行量測，但是由於光源同調性差，因此操作的人員不但須對干涉理論有所認識，而且也要對儀器有良好的熟練度。 1960 年高強度同調性(Coherence) 光源的雷射問世後，干涉儀才開始蓬勃地發展；干涉儀可按照形成干涉的光束數目分為雙光束及多光束兩大類，雙光束干涉儀所產生的條紋其亮度多呈正弦曲線的分佈情形，例如太曼格林 (Twyman Green) 干涉儀、菲索 (Fizeau )干涉儀、麥克詹達干涉儀 (Mach-Zender)、剪像(shearing)干涉計及麥克森 (Michelson) 干涉儀，皆屬於此種雙光束干涉方式，而多光束干涉儀之條紋亮度分佈情形也是週期性的，但卻呈狹窄的亮帶，如梳狀脈衝波形(Dirac comb )，有名的法布里派洛 (Fabry-Perot)干涉儀即屬此類。多光束干涉儀通常是由非常多的光束干涉而形成，至於三光束或四光束的干涉儀通常視為雙光束干涉儀的同類，因為它們的干涉條紋特性很相近。干涉儀的另一種分類方式是依據光波分割的情形亦即分為波前分割與振幅分割兩種型式。波前分割是指光束的波前經過了同一平面的一系列狹縫而產生分割，例如以雙稜鏡或光柵來把一道光分成二部分。振幅分割則是以部分反射裝置來區分其振幅大小成二部分，例如光束經過了類似分光鏡的界面而分成兩道光。三.干涉儀之構成的主件在此我們對這些量測用途的干涉儀作整理性的簡介，並對其構成的主件特性加以說明。A. 雷射及其台座：雷射干涉儀採用之雷射，其輸出頻譜為 632nm 之氦氖雷射。其總輸出功率為 0.3W 以上。氦氖雷射由激勵系統提供能量給活性工作介質以產生光子 ， 這些光子在雷射共振腔內來回振盪數十次至數百次， 最後穿出雷射共振腔，形成雷射光束，其中氦活性介質便是能將入射光放大的物質。某些活性介質加以適當的攙雜或混合時，可以使原子在躍遷到較高能階時停留的生命期 (transition life) 較長，這樣便更能累積在高能階的原子數量，而得到更高的雷射效率。氦氖雷射波長為632.8 nm=0.6328 m，產生雷射光時，高電壓達 8000 伏特以上，有點類似日光燈起動時，需要較高的電壓，至於平常雷射運作時，也須 1500 伏特左右之高壓，其冷卻系統常採氣冷式，因為它們的功率不高。一般氦氖雷射使用低能量的可見光雷射，對於皮膚，衣物，任何物質的測量物件均無傷害性，同時，發射的光束並不夾雜不可見光或其它具有傷害性輻射。雷射台座需使用具有微調螺絲之鏡片台座來微調，微調螺絲功能有二：一用來控制雷射光點左、右移動，一用來控制雷射光點上、下移動，如圖1。 圖1 雷射台座雷射光導引台座可用來控制雷射光束上、下移動至一適當高度，如圖2。 圖2 雷射光導引台座B. 反射鏡及分光鏡：反射鏡最好為前鍍膜之反射鏡 ( FRONT COATING MIRROR)，表面平坦度 (FLATNESS) 為每 5cm 在/10 到 /2內。如在經濟考慮下使用普通鏡片，反射光點會增多，須能分辨何者為所需之信號（輕微搖動干涉儀系統，所需之干涉圖形將因此而變化，干涉條紋的位置會移動）。反射鏡片台座需使用具有微調螺絲之鏡片台座來微調，微調螺絲功能有二：一用來控制反射光點左、右移動，一用來控制反射光點上、下移動，如圖3 。 圖 3 反射鏡片台座在分光鏡方面，太曼格林 (Twyman Green) 干涉儀、菲索 (Fizeau )干涉儀、麥克詹達干涉儀 (Mach-Zender)、剪像(shearing)干涉計及麥克森 (Michelson) 干涉儀等雙光束干涉儀使用比例為 1:1 之固定式分光鏡。而法布里派洛 (Fabry-Perot)干涉儀使用比例為 20:1 以上之固定式分光鏡分光鏡片台座亦需使用具有微調螺絲之鏡片台座來微調，可使用反射鏡片台座，或是專用分光鏡片台座，如圖4。 圖 4 分光鏡片台座C. 空間濾波器 空間濾波器(SPATIAL FILTER)為物鏡與針孔所組合而成的，如圖5，它可以擴大雷射光束並且達到濾波的效果。 圖5 空間濾波器空間濾波器的原理很簡單，雷射光經物鏡(圖6)後先是聚焦於焦點上，而後擴束放大，我們在透鏡的焦點上放置一個針孔，所謂濾波，指的是對光場空間頻率過濾行為。而非過濾雷射之頻率。一道接近平行的光束，它的空間頻率很低，甚至是零，而它經透鏡後將聚焦於光軸焦點上，換句話說，它能很容易的通過置於焦點上的針孔。至於光束中混入的雜訊，通常它的空間頻率較高，因此經透鏡後將聚焦在離光軸焦點較遠的周圍，而無法通過置於焦點上的針孔。空間頻率一定具有、三軸的微動機構，以便將針孔的位置調整到透鏡的焦點處。好一點的空間濾波器還有水平俯仰及左右偏擺的調整功能。 圖6 物鏡可以想見，物鏡的品質越好，針孔的孔徑越小，光場的品質越好。物鏡的倍率通常視照物光場及參考光場之需求而定，一般規格是 20 倍物鏡配 20 mm 的針孔，針孔之電子顯微檢視如圖7。 圖7 針孔之電子顯微檢視D. 台架與固定座： 防震桌可以消除曝光時之外界震動之干擾，各式支柱、磁力座、固定座與放置架可將光學元件及雷射光束作高度及方向調整，如圖8。要注要整個台架與固定座之剛性，台架不可太高。 圖8 各式支柱固定座與放置架五.麥克森干涉儀麥克森干涉儀（圖9） 是利用光波的干涉，而使量測的精度提高到 1/2 個波長以內，是許多干涉儀的始祖，可先作為光干涉現象於量測上應用之探討。麥克森干涉儀，係以部分反射平面鏡使光束振幅區分成兩束，所得的兩光柱進行的方向及相位不完全相同，當其再相遇時便形成干涉條紋。吾人如能瞭解麥克森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實驗。 因此將麥克森干涉儀稱之為利用光波干涉進行量測工作之敲門磚並不為過。由於麥克森干涉儀的出現，使得人類開始以光的波長為長度測量的基準。 圖 9 麥克森干涉儀 麥克森干涉儀是以振幅來區分的干涉儀之要例，麥克森 (Michelson) 干涉儀，係以部分反射平面鏡使振幅區分所得的兩光柱進行的方向完全不同，當其再相遇時便形成干涉條紋。部分反射平面鏡又稱分光鏡 BS，分光鏡之反射膜鍍於偏靠於M1反射 鏡之一側，使來自光源之光分成強度相等之一反射及一透射光柱。光從鏡 M2 正向反射，第二次通過BS 而達圖下的屏風 S，光從鏡 M1反射，二次通過 C，再由 BS 反射而至屏風 S，從鏡 M1反射之光束並未穿透分光鏡，這一點使得它與從鏡 M2 反射之光束有位置及光程之偏移，加入玻璃板 C 之目的在使二線路在玻璃中之光程及路徑相等，故 C 稱為補償板( compensation plate ) 。此不僅是使單色光產生條紋的基本儀器，當用白光時亦是不可缺少的。 在傳統的麥克森干涉儀中，如果採用的光源是雷射，同調長度即能拉長，也就是待測光和參考基準光兩通光的光程即使拉長，仍然會有干涉的現象，此原理即被用來作微小距離檢測之用，因此叫作雷射干涉儀。通常機械位置檢出器的精度需為機械精度的倍，而工具機的控制精度目前巳提高到 m 左右，換句話說，工具機檢出器的精度必須在 m 以下，這已非尋常量測儀器與設備能力所能及了，因此雷射干涉儀目前廣泛被應用在工具機校正工作上。至於雷射干涉儀之反射鏡都採用立方角反射鏡 (cube coner) 這是為了對準各道光束之中心，立方角反射鏡可以將入射的光線以平行於入射角度的方向將光線反射回去。原理就如同高速公路兩旁的反光交通設施一般，因此便不須去費心考慮反射鏡片中心是否對準反射鏡片是否傾斜等問題了。雷射干涉儀所使用的光源為氦氖穩頻雷射，這是為了避免當雷射光源強度及波長有變化時，將使光干涉的結果產生不良的誤差，因此必須要有穩頻裝置。因此雷射干涉儀比 Michelson 干涉儀複雜