干涉仪

 

引力波对物体相对位置变化的影响十分微弱,典型强度的引力波引起的长度变化只有十亿分之十亿分之一,所以我们必须要有足够灵敏的设备才能探测到这种变化。迈克耳逊干涉仪正是这样一个设备。在这里,我们大致介绍一下干涉仪的基本工作原理。下图是干涉仪的一个简单示意图,虽然它和实际的引力波探测器中的复杂干涉仪相差甚远,然而这并不妨碍我们理解探测最基本的原理。

迈克逊干涉仪

干涉仪由光源(上图的最左侧),一个分光镜(正中间),两个反射镜(上侧和最右侧)还有一个光电探测器(下侧)组成。从光源发出的光经过分光镜后被分成两条光束,一束光直接透过,依旧按原来的方向传播,另一束光被反射到与原传播垂直的方向上,我们称其为干涉仪的两‘臂’。当两束光遇到各自光路上的全反射镜时,它们又朝着原光路返回到分光镜。

当两条束光回到分光镜时,有意思的现象发生了。直接透过返回的光束和竖直反射再返回的光束再次被分光镜一分为二,各在左边和下方产生一条光束。此时,左方和下方两条光路中都有了一部分直接透过的光和一部分被分光镜反射的光,这两部分的光叠加在了一起,由于光的波动性,这两条光路上都会产生干涉。这也是为什么我们称这个装置为干涉仪的原因。为了帮助大家更好地理解两列波之间的干涉现象。我们用下面的示意图来说明。如果其中一列波的波峰与另一列波的波峰重合了,那么发生干涉相长,叠加后的波峰高度就更高了。相反,如果其中一列波的波峰和另一列的波谷叠到一起,就发生干涉相消。可以看出一般情况下,两列波形成的叠加波的形状取决与两列波波峰之间的相对位置。

干涉

我们经常所说的光也是一种波,因此两束光叠加时,也会产生干涉现象。回过头来看我们的干涉仪,当两臂反射回来的光在分光镜相遇时,就会发生这种干涉现象。两反射光波峰之间的位置取决于两臂的长度,臂长不同时,波峰之间的位置就不一样,叠加后的光的强度也会随之改变。我们正是利用这种叠加光的强度变化来探测由引力波引起的臂长改变。由于通常干涉仪中使用的 光的波长很短(大约几千纳米),我们就能利用这种干涉方法来测量非常微小的臂长改变。

下面的一个Processing的小程序Michelson Interferometer(迈克逊干涉仪) ,大家可以通过它来加深对干涉仪工作原理的理解。