什么是共路干涉仪

共路干涉仪是一种让样品光束和参考光束共用同一路径进行干涉的干涉仪。

在传统干涉仪（如迈克尔逊干涉仪）中，两束光的传播路径在几何上相互分离，干涉信号会对错位高度敏感，且路径长度差容易受振动、冲击等机械噪声影响。共路干涉仪正是为解决这一问题而设计：它无需与被测系统尺寸匹配的完美光学元件来生成参考光束，且在视场中心的两束光路径差通常为零，这使得白光干涉成为可能。在部分共路干涉仪中，参考光束会穿过被测光学系统的一小块无像差区域，再与覆盖系统全孔径的测试光束干涉，从而精准获取系统缺陷信息。

共路干涉仪的结构简单紧凑，光路对准要求较低，无需额外措施即可减少机械噪声干扰。常见的共路干涉仪类型包括萨格纳克干涉仪、散射板干涉仪、侧向剪切干涉仪、水浴干涉仪、点衍射干涉仪等。

共路干涉仪的主要类型

共路干涉仪中的萨格纳克干涉仪

图1：萨格纳克干涉仪

萨格纳克干涉仪是共路干涉仪的重要类型，其利用萨格纳克效应通过光学干涉测量旋转。它通过多个镜子或光纤构建环形光路，让两束光沿环形路径反向传播。当干涉仪绕垂直于光路平面的轴旋转时，反向传播的两束光会产生相对相位偏移，旋转灵敏度与环形路径覆盖的面积及往返次数成正比 —— 若在光纤中绕多圈，灵敏度可大幅提升，甚至能测量地球自转。

萨格纳克干涉仪的结构呈环形：光源发出的光经分光器分成两束，沿同一环形路径反向传播，返回入口处后射出并发生干涉。干涉条纹的位置和两束光的相对相位会随仪器角速度变化：静止时两束光传播速度一致；旋转时，其中一束光相对另一束会变慢。

共路干涉仪中的散射板干涉仪

图2：散射板干涉仪

散射板干涉仪是共路干涉仪中用于测量光学系统波前畸变的设备，常用于检测镜头、镜子、望远镜等光学元件的质量。其原理是分析光源波面通过散射板后的散射图案，进而重建波面并确定像差。

作为共路干涉仪，散射板干涉仪的参考路径与测试路径可自动匹配，因此用白光也能轻松获得零阶条纹，且辅助光学器件的质量对测量影响较小。虽常以激光为光源，但光谱过滤的白光源或弧光灯更受青睐。不过其条纹对比度较低，主要用于凹面镜的光学测试。

在测试球面镜的设置中，散射板被置于靠近被测镜曲率中心的位置，板上分布着随机排列、呈反转对称的微小不透明斑块。空间过滤后的光源在测试部分成像，使散射板在自身上倒置重成像，通过分析不同散射光的干涉，可获取被测镜的光学信息。四种类型的光由散射板的第二次透射光来识别。

一部分光直接进入散射板，被镜子反射，然后在第二次遇到散射板时散射。参考光束是由这种直接散射的光产生的。
一部分光在第一次通过散射板时被散射，被镜子反射，然后在第二次遇到散射板时不变地通过。由这种散射直射光形成的测试光束与参考光束相互作用，产生干涉条纹。
在两次遇到散射板时，有一部分光直接穿过散射板。这种直射光会产生一个微小的、不受欢迎的热点。
在与散射板的两次相遇中，特定部分的光线被散射。干涉图案的整体对比度因这种散射光而降低。

侧向剪切干涉仪

图3：侧向剪切干涉仪

侧向剪切干涉仪是一种光学干涉仪，用于测量物体的横向位移。它的工作原理是将光照到物体上，分析从物体和参考表面上反射的光所产生的干涉模式。物体的横向位移可以通过分析干涉图案中的相移来确定，相移与横向位移成正比。侧向剪切干涉仪通常用于计量学和计量学研究，以及表面粗糙度的测量和机械振动的表征等应用。

在侧向剪切干涉仪中，被研究的波前通过侧向位移少量复制，然后获得原始波前和位移波前之间的干涉图案。波面可以是平面的或球形的。如果波前几乎是平面的，则通过在其自身的平面内置换波前来获得横向剪切力。而如果是球形波面，则通过围绕通过球形波面曲率中心的轴旋转，使波面沿自身滑动来获得侧向剪切力。它是测试光学元件和系统、研究气体和液体的流动和扩散现象的理想选择。图3显示了侧向剪切干涉仪的原理图。

浴式干涉仪

图4：浴式干涉仪

水浴干涉仪是一种干涉仪，用于测量光束通过液体样品时的光路长度变化。水浴干涉仪通常用于测量液体的折射率和密度，以及检测液体的物理和化学性质因温度、压力和其他因素而发生的变化。

水浴干涉仪通常包括一个光源，如低相干性的半导体激光器，一个分光器，一个平凸透镜和一个折叠镜。它主要用于测试望远镜镜面。

浴场干涉仪的原理图见图4。透镜直接粘在分光镜上，消除了两个可能沾染灰尘的表面，安装透镜非常方便。来自激光的光被分成两束，一束参考光，一束测试光。蓝色的测试光束直接穿过，来到一个焦点上，然后发散开来，填满测试镜的孔径。红色的参考光束被反射上去，从折叠镜上反弹，作为准直光束出去。在返回的路径上，测试光束反射出折叠镜，从分束立方体的底部出来，在那里与通过平凸透镜回来的参考光束结合，在那里，干涉图出现在相机镜头或眼睛上。

共路干涉仪中的点衍射干涉仪（PDI）

图5：点衍射干涉仪

点衍射干涉仪（PDI）是共路干涉仪中利用衍射原理，通过参考波路径上的点不连续测量光束相位变化的设备，可用于表征尺寸小于所用光波长的物体。

其工作原理是：用衍射受限的小光点照亮物体，在远场形成干涉图案以获取物体信息。具体而言，半透明薄膜上的针孔生成参考光束，光源经傅里叶变换透镜聚焦到薄膜中心的针孔（约一个气盘大小），二阶光束（测试光束）穿过针孔后，与其他衍射光束（参考光束）干涉形成条纹，广泛用于自适应光学等领域。

共路干涉仪的应用场景

共路干涉仪凭借紧凑、稳定的特点，在多个领域发挥重要作用：

• 基础科研与计量：用于陀螺仪、飞秒时间分辨干涉仪、傅里叶变换光谱学、波前感应和脉冲表征等；
• 生物与医疗：适合生物样品的频域光学相干断层成像，可用于无标签蛋白质传感、抗生素引导检测，为临床或环境小分子检测提供简单高效的方案；
• 光学成像与测试：改良型共路干涉仪（如带反射光栅的迈克尔逊系统）可用于定量相位成像，点衍射干涉仪则支持自适应光学应用。
  
• 相比传统双臂干涉仪，共路干涉仪的稳定性和紧凑性使其在对环境干扰敏感的场景中更具优势。