迈克尔逊干涉仪的优势

传统位移测量干涉仪的光学响应呈正弦曲线形。图中显示了一个典型信号。如果总位移量非常有限，从而有可能使干涉仪的工作点保持固定，那么这种信号就可以得到有效利用：在蓝色椭圆所示区域，信号随位移量变化而变化的幅度非常大。另一方面，在红色椭圆所示区域内，信号变化接近于零。因此，在正弦曲线的极值处，干涉仪对位移的灵敏度为零！此外，位移方向的信息也丢失了。

为了避免传统干涉仪的上述缺点，可以采用一种称为正交检测的技术： 产生两个信号，其中一个与正弦函数成比例，另一个与余弦函数成比例。通过这种方法，我们可以获得两个正交信号，这样每次其中一个信号处于极值点时，另一个信号的斜率就会最大。

获得正交信号的技术有多种，包括
→ 利用偏振自由度获取相移信号
→ 正弦波长调制，通过干涉仪信号的光谱边带显示正交信号。这就是 PICOSCALE 所基于的技术。

当两个正交信号相互绘制时，就会得到一个利萨如图。这是由一个在圆上移动的矢量构成的。矢量的角度表示一个干涉仪条纹的分数，通过计算整圈，可以跟踪宏观运动。此外，运动的方向也被揭示出来。如果距离增加，矢量顺时针旋转，如果距离减少，矢量逆时针旋转。

总之，正交检测能够以微观分辨率跟踪宏观运动，包括运动方向。

迈克尔逊干涉仪可能是最常用的干涉仪结构。激光束在分光镜上被分成参考臂和测量臂。两部分光束分别在参考镜和目标镜1 上反射，并在分光镜上重新组合。

重新组合的光束会发生干涉，并包含目标位置的信息。干涉仪信号是理想的正弦波，即使两臂中的一臂存在损耗2。正交检测在利萨如图中给出一个圆。

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1 在 PICOSCALE 中，参考镜可以直接镀在分光器立方体的一个表面上，以获得尽可能高的内在稳定性。

2 典型的损耗源是仅部分反射的目标或未对准的设置。

法布里-珀罗干涉仪是一种非常简单的干涉仪，仅由两个部分反射的表面组成。相关的干涉光束由以下公式给出
→ 被第一面反射镜直接反射的光束
→ 穿过第一面反射镜的光束，在第二面反射镜上反射后，再次穿过第一面反射镜的光束

如果干涉仪仅由这两束光组成，也会得到一个完美的正弦波。然而，很明显，第二束光束也会再次从第一面反射镜上反射出来，并进行额外的往返，从而导致失真。

只有在很小的参数集（即第一面和第二面镜子的反射率）下，干涉仪信号才能近似为正弦波。遗憾的是，这组参数给出的反射率非常低（个位数百分比范围），因此必须注意不要让额外的反射干扰干涉仪。

将非完美干涉仪的利萨如斯图与完美圆进行比较。

这些偏差清晰可见，并将导致 +/- 10 nm 量级的周期性非线性。理想的迈克尔逊干涉仪不会出现这些偏差。