">
Физика Теоретическая физика
Информация о работе

Тема: Интерферометры и их применение

Описание: Физические основы явления. Краткая историческая справка. Природа явления . Некоторые виды интерферометров и их области применения. Ультразвуковой прибор. Интерферометр интенсивности, Майкельсона, Рождественского, Рэлея, Фабри - Перо, звездный.
Предмет: Физика.
Дисциплина: Теоретическая физика.
Тип: Курсовая работа
Дата: 19.08.2012 г.
Язык: Русский
Скачиваний: 162
Поднять уникальность

Похожие работы:

Курсовая работа по физике

Раздел: Физика колебаний и волн. Оптика.

Тема: Интерферометры и их применение

Содержание

Введение

Физические основы явления

Краткая историческая справка

Физическая природа явления

Некоторые виды интерферометров и их области применения

Ультразвуковой интерферометр

Интерферометр Жамена

Звёздный интерферометр

Интерферометр интенсивности

Интерферометр Майкельсона

Интерферометр Рождественского

Интерферометр Рэлея

Интерферометр Фабри – Перо

Заключение

Список литературы

I. Введение

Интерферометры - это измерительные приборы, в которых используется интерференция волн. В соответствии с природой волн существуют интерферометры акустические для звуковых волн и интерферометры для электромагнитных волн: оптических (ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра) и радиоволн различной длины. К последним относятся оптические интерферометры, которые получили наибольшее распространение. Применяются интерферометры весьма широко. Так, акустические интерферометры и радиоинтерферометры используются для измерения скорости распространения волн (акустических и радио), для измерения расстояний между двумя излучателями волн или между излучателем и отражающим телом, то есть применяются как дальномеры. Как уже говорилось наибольшее распространение получили оптические интерферометры, о которых пойдёт речь ниже. Они применяются для измерения длин волн спектральных линий, показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных длин, угловых размеров звёзд, для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей и так далее. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. В основе интерферометров лежит пространственное разделение пучка света с помощью того или иного устройства с целью получения двух или более взаимно когерентных лучей, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе и наблюдается результат их интерференции. Вид интерференционной картины зависит от способа разделения пучка света на взаимно когерентные лучи, от их числа, их относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света. Методы получения когерентных пучков в интерферометре очень разнообразны, поэтому существует большое число различных конструкций интерферометров. По числу интерферирующих пучков света оптические интерферометры можно разбить на многолучевые и двухлучевые. Многолучевые интерферометры используются главным образом как спектрометры высокой разрешающей силы для исследования тонкой структуры спектральных линий и определения их формы, а двухлучевые интерферометры являются в основном техническими приборами.

Физические основы явления

Краткая историческая справка

В 1881 г. Американский физик Альберт Майкельсон впервые попытался обнаружить эфирный ветер при помощи изобретенного им интерферометра. Вывод автора гласил: "Эти результаты можно интерпретировать как отсутствие смещения интерференционных полос. Результат гипотезы стационарного эфира, таким образом, оказывается неверным, откуда следует вывод, что эта гипотеза ошибочна. Этот вывод прямо противоречит объяснению явления аберрации, которое везде используется и которое предполагает, что Земля движется сквозь эфир, а последний остается в покое".

1887 г. А. Майкельсон и Эдвард В. Морли повторили опыт Майкельсона с более совершенной аппаратурой (была увеличена длина оптических путей, и значительно уменьшены всевозможные помехи). Вывод авторов: "…ожидалось смещение 0.4 полосы. Действительное же смещение было, конечно, меньше, чем 1/20, а возможно, что и меньше, чем 1/40 часть. Но поскольку смещение пропорционально квадрату скорости, то относительная скорость Земли и эфира, возможно, меньше, чем 1/6 орбитальной скорости Земли, и уж конечно меньше, чем 1/4"

1905 г. Э. Морли и Дайтон К. Миллер провели эксперимент с целью проверки влияния материала на величину сокращения Лоренца-Фицжеральда. Сравнивались эффекты в интерферометрах с базой из песчаника и из дерева. Вывод авторов: "Поэтому мы могли декларировать, что эксперимент показал: если имеется некоторый эффект природного происхождения, он составляет не более сотой части вычисленного значения. Если, как предполагалось, сосна подвержена воздействиям, то степень воздействия та же, что и на песчаник. Если эфир около аппарата не движется вместе с ним, а различие в скорости меньше, чем 3.5 км/с, значит, эффект воздействия на материал аннулирует искомый эффект. Можно думать, что проведенный эксперимент доказал лишь, что в спокойной подвальной комнате эфир увлекается вместе с ней. Поэтому мы хотим поднять место размещения аппарата на холм, закрыть его только лишь прозрачным покрытием с тем, чтобы посмотреть, не будет ли обнаружен какой-либо эффект".

1905 г. осень. "…Морли и Миллер перенесли интерферометр из подвального помещения лаборатории на Евклидовы высоты близ Кливленда, на высоту приблизительно 300 футов над озером Эри, в место, свободное от всяких преград и построек. Было проделано пять серий наблюдений (1905-1906 гг.), которые дали определенный положительный эффект, составляющий приблизительно 1/10 ожидаемого ветра. Существовало подозрение, что это могло быть вызвано влиянием температуры, хотя прямых указаний на это не было".

1921 г. Д. К. Миллер. Интерферометр располагался в обсерватории Маунт Вильсон (1860 м. Над уровнем моря). "Самые первые наблюдения, проделанные в марте 1921 г., дали положительный эффект, соответствующий реальному эфирному ветру, как если бы он был обусловлен относительным движением Земли и эфира со скоростью около 10 км/с. Однако прежде чем опубликовать этот результат, представлялось необходимым изучить все возможные причины, которые могли бы вызвать эффект, подобный эфирному ветру. Эти возможные причины могли бы сводиться к магнитным деформациям стальной рамы интерферометра и влияниям теплоты излучения. В целях полного устранения влияния теплоты излучения металлические части интерферометра были совершенно закрыты слоем пробки толщиной около одного дюйма. Пятьдесят серий наблюдений, сделанных при этих условиях, обнаружили периодическое смещение полос, совпадающее с прежними наблюдениями". Затем основание прибора было сделано из бетона. "Результаты с таким немагнитным интерферометром дали положительный эффект, соответствующий эфирному ветру точно такой же скорости и направления, какие были получены в апреле 1921 г. Были опробованы многочисленные вариации условий опыта. Наблюдения проводились при вращении интерферометра по часовой стрелке и против нее, при быстром (1 оборот за 40 секунд) и при медленном вращении (1 оборот за 85 секунд), с тяжелым грузом, положенным на кронштейн трубы, а затем на кронштейн лампы, с поплавком высоко поднятым над уровнем ртути вследствие того, что сначала нагружался один квадрат, а потом другой. Ассистент, записывающий наблюдения, ходил вокруг или же стоял в различных частях помещения, далеко от аппарата или же близко к нему. На результаты наблюдений ни одна из этих вариаций не оказывала никакого влияния. Затем весь аппарат был перенесен обратно в Кливленд. В течение 1922 и 1923 гг. было проведено множество испытаний при разнообразных условиях, доступных контролю, и с различными видоизменениями в расположении частей аппарата". Миллером были так же исследованы влияния температурных изменений. "Данная серия опытов была проделана с целью изучить влияние непостоянства температуры в помещении интерферометра и влияние теплоты излучения, падающего на интерферометр. При этом использовалось несколько электрических нагревателей, устроенных таким образом, что нагревающая спираль была расположена в фокусе вогнутого зеркала. Непостоянство температуры вызывало медленное, но постепенное смещение системы полос в одну сторону, но не вызывало периодического смещения. Даже тогда, когда два нагревателя были расположены на расстоянии трех футов от интерферометра, находившегося во вращении, и посылали тепло непосредственно к непокрытой стальной раме, измеримого периодического смещения полос не наблюдалось. Когда же нагреватели были обращены к путям световых лучей, закрытых стеклом, периодический эффект наблюдался, но только тогда, когда стекло было покрыто непрозрачным материалом, и притом весьма несимметричным образом, когда, например, одно плечо было совершенно защищено картоном, а другое не защищено. Эти опыты показали, что при тех условиях, при каких в действительности проводится опыт, периодическое смещение полос не может быть вызвано влиянием температуры".

1924 г. август. Д. К. Миллер. Обсерватория Маунт Вильсон. "… было выбрано новое место на слегка закругленном холме, удаленном от каньонов. Помещение для интерферометра было возведено так, чтобы его ориентировки - направление конька крыши и расположение дверей - составляло 90? с ориентировкой 1921 г. Интерферометр во всех деталях был тот же, что употреблялся в Кливленде в июле 1924 г. В сентябре (4-,5-, и 6-го) 1924 г. было проведено 275 измерений смещения полос, причем измерения были расположены в 10 сериях. Результаты наблюдений обнаружили определенное смещение, в противоположность незначительным результатам, полученным в Кливленде. Соответствующий этому смещению эфирный ветер по скорости и направлению вполне соответствовал впервые наблюдаемому на Маунт Вильсон. Часть наблюдений была проведена при условиях, что пути световых лучей были прикрыты стеклянными ящиками, обложенными гофрированной бумагой, которая, как показали опыты в Кливленде, совершенно исключает влияние теплоты излучения. Однако эти покрышки нисколько не изменили результата, откуда следует, что таких влияний вообще нет".

2. Физическая природа явления

Так как именно на использовании интерференции света основано действие интерферометров, то можно уделить небольшое внимание этому явлению.

Интерференция света - это сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тёмных полос вследствие нарушения принципа сложения интенсивностей. Некоторые явления Интерференции света наблюдались ещё И. Ньютоном, но не могли быть объяснены с точки зрения его корпускулярной теории. Правильное объяснение интерференции света как типично волнового явления было дано в начале 19 в. Т. Юнгом и О. Френелем.

Наиболее широко известна интерференция света, характеризующаяся образованием стационарной (постоянной во времени) интерференционной картины – регулярного чередования в пространстве областей повышенной и пониженной интенсивности света, получающейся в результате наложения когерентных световых пучков, то есть в условиях постоянной (или регулярно меняющейся) разности фаз. Реже и только в специальных условиях эксперимента наблюдаются явления нестационарной интерференции света, к которым относятся световые биения и эффекты корреляции интенсивностей. Строгое объяснение явлений нестационарной интерференции света требует учёта как волновых, так и корпускулярных свойств света и даётся на основе квантовой электродинамики. Интерференция света имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого другого.

III. Некоторые виды интерферометров и их области применения

1. Ультразвуковой интерферометр

Ультразвуковой интерферометр – прибор для измерения фазовой скорости и коэффициента поглощения, принцип действия которого основан на интерференции акустических волн. Типичный Ультразвуковой интерферометр (рис.1) представляет собой акустическую камеру 1 с исследуемой средой, в которой пьезоэлектрическим преобразователем 2 возбуждаются ультразвуковые волны.

На некотором расстоянии l от пьезопреобразователя расположен плоский рефлектор 5, от которого отражается ультразвуковая волна и который может перемещаться вдоль направления распространения ультразвука.

Плоскости рефлектора и пьезопреобразователя устанавливаются строго параллельно друг к другу. Акустическое поле в камере интерферометра рассматривается как поле плоских волн, многократно отраженных от рефлектора и поверхности преобразователя.



Это справедливо при условии равномерного распределения амплитуд и фаз скорости по поверхности преобразователя, пренебрежимо малого влиянии стенок акустической камеры, а также при условии, что поперечные размеры преобразователя и рефлектора значительно больше длины волны ультразвука.

Сопротивление акустической нагрузки преобразователя при соблюдении всех этих условий зависит от расстояния l по периодическому закону с периодом ?/2, где ? – длина волны ультразвука в исследуемой среде. Реакция преобразователя на акустическую нагрузку определяется по величине электрического напряжения U на нем (преобразователь возбуждается генератором тока). Величина U при перемещении рефлектора периодически изменятся от максимального до минимального значения с периодом ?/2 (рис.2). Искомая скорость ультразвука определяется как с= ?f, где ? измеряется по интервалам между экстремумами кривой реакции, т.е. зависимости U(l), а коэффициент поглощения ? может быть найден либо по спаду экстремумов кривой реакции с увеличением l, либо по их ширине (f – частота ультразвука).



Основным источником систематических погрешностей является отличие реальных условий измерений от условий, отвечающих распространению плоской волны вдоль оси камеры: при несоблюдении условия малости длины волны относительно размеров камеры, преобразователя и рефлектора в интерферометре возникают дифракционные эффекты, искажающие результаты измерений; при не параллельности рефлектора и преобразователя, а также при неравномерности распределения амплитуд и фаз колебательной скорости по поверхности преобразователя на кривой реакции возникают дополнительные экстремумы (сателлиты), искажается форма огибающей кривой реакции, и изменяются интервалы между основными экстремумами. Для исключения дифракционных погрешностей необходимо вводить поправки, корректный расчет которых может быть выполнен численными методами.

Интерферометр Жамена



Интерферометр Жамена (интерференционный рефрактометр) — интерферометр для измерения показателей преломления газов и жидкостей, а также для определения концентрации примесей в воздухе. Интерферометр Жамена (рис.3.) состоит из двух одинаковых толстых плоскопараллельных пластинок из стекла, установленных почти параллельно друг другу. Пучок света падает на первую пластинку под углом i, близким к 45°. Каждый луч пучка после отражения на поверхностях пластинки делится на 2 когерентных луча S1 и S2 , идущих на некотором расстоянии друг от друга, зависящем от толщины пластинок d. Далее на второй пластинке каждый из них аналогичным образом разделяется на два луча. В результате от второй пластинки идут 4 параллельных когерентных луча S1’, S1”, S2’, S2”; лучи S1’ и S2” перекрываются диафрагмой D, а лучи S1’ и S2” попадают в зрительную трубу и интерферируют в фокальной плоскости объектива О1. Разность хода между ними равна

,

где nп — показатель преломления пластинок. ? — угол между

ними. При ? ? 5? - 15? ? мала, поэтому при использовании источника белого света наблюдаются только интерференционные полосы низкою порядка, которые имеют форму прямых линий с белой ахроматической полосой в центре, окружённой системой окрашенных полос.

Сравнительно большое расстояние между лучами S1 и S2 , позволяет установить на их пути две кюветы К1 и К2 одинаковой длины l с исследуемыми веществами, показатели преломления которых n1 и п2. Возникающая разность хода

? = (n2—n1)l = ?nl

приводит к смещению ахроматической полосы в поле зрения зрительной трубы. Измерение ? в Интерферометре Жамена производят с помощью компенсатора Жамена, который создаёт дополнительную разность хода, обратную той, которая вызвана различием n1 и п2. Компенсатор состоит из двух одинаковых пластинок Р1 и Р2 (рис.3.), установленных в ходе лучей S1 и S2 и укреплённых на оси ОО под углом друг к другу. Вносимая ими разность хода зависит от углов падения лучей на пластинки и может изменяться при вращении пластинок. Величина этой разности хода может быть рассчитана или проградуирована в измеряемых величинах (напр., n1 - п2) и наносится на лимб L оси поворота пластинок. Поворачивая компенсатор, приводят смещённую ахроматическую полосу на перекрестие трубы и отсчитывают величину смещения ?. Зная ? п l, определяют разность ?п. Точность измерения ?п в Интерферометре Жамена может достигать 6-го десятичного знака. С помощью Интерферометра Жамена проводят количественный анализ газовых смесей — определяют концентрацию некоторых газообразных примесей, например метана и СО2 , в воздухе шахт (т. к. n зависит от природы газа).

3. Звёздный интерферометр

ИНТЕРФЕРОМЕТР ЗВЁЗДНЫЙ — интерферометр для измерения угловых размеров звёзд и углового расстояний между двойными звёздами. Если угловое расстояние между двумя звездами очень мало, в телескоп они видны как одна звезда. В таком случае говорят о двойных звездах и надо провести специальное наблюдение, чтобы отличить их от звезд одиночных. Для этого используется звездный интерферометр Майкельсона, который позволяет к тому же определить угловое расстояние между звездами.



Устройство звездного интерферометра Майкельсона показано на (рис.4.(а)). Лучи света, пришедшего от удаленной звезды, отражается от плоских зеркал M1 — M4, разнесенных на достаточно большое расстояние D, затем отражаются от двух других зеркал и собираются линзой на экране, помещенном в фокальной плоскости. Разнесенные на расстояние D зеркала можно рассматривать как точечные источники, расстояние между которыми и равно D. Вследствие этого в изображении звезды наблюдается интерференционная картина, аналогичная интерференции от двух щелей, расположенных на расстоянии D друг от друга. Угловое расстояние между соседними интерференционными максимумами в этой картине равно ?=?/D (Рис.4.(б)), где ? – длина волны света. При наличии двух близких звёзд, находящихся на малом угловом расстоянии ? друг от друга, в телескопе образуются 2 интерференционные картины, которые также смещены на угол ? и накладываются друг на друга. В зависимости от соотношения углов ? и ? видимость полос суммарной картины будет различной. Изменяя расстояние D и, следовательно, изменяя угол ?, можно добиться совмещения максимумов одной интерференционной картины с минимумами другой, в результате чего видимость полос будет наихудшей. При этих условиях ?=??=?/2D. Измерив D и зная ?, можно определить угловое расстояние между звёздами ?. Аналогично определяются угловые размеры одной звезды. Если звезду рассматривать как равномерно светящийся диск, то расчёт показывает, что исчезновение полос происходит при ?=1.22?/D. Точность измерения звёздного интерферометра тем больше, чем больше база D. Построен звездный интерферометр, в котором D может достигать 18 м. что позволяет измерять угловое расстояние с точностью до 0,001". Для измерения угловых размеров очень слабых звёзд, свет от которых на уровне шумов, применяют метод корреляции интенсивностей.

4. Интерферометр интенсивности

ИНТЕРФЕРОМЕТР ИНТЕНСИВНОСТИ — устройство, в котором измеряется коэффициент корреляции интенсивности излучения, принимаемого в двух разнесённых точках. Интерферометр интенсивности был использован вначале в оптических измерениях и радиоастрономии для измерения видимых угловых размеров звёзд и источников космического радиоизлучения. Такой Интерферометр интенсивности состоит обычно из 2 телескопов, разнесённых на расстояние до нескольких сотен метров (рис.5.).



Светоприёмником служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с малой инерционностью ~1 нс. Флуктуации тока I (t) обоих ФЭУ, обусловленные шумовым характером света, перемножаются в корреляторе.

Коэффициент корреляции

,

где черта означает усреднение по времени, является мерой углового размера источника. Для равномерно светящегося диска коэффициент корреляции связан с угловым размером ? соотношением

r(D, ?) =4(?D?/?)-2J12 (?D?/?),

где J1 — функция Бесселя, ? — длина волны света, D — проекция расстояния между телескопами (базы интерферометра) на плоскость, нормальную к направлению на источник. Определяя г при разложении D, можно найти отклонение измеренной зависимости r(D, ?) от рассчитанной для равномерно светящегося диска и тем самым получить информацию об истинном распределении яркости по диску. Для двойных звезд таким способом определяют не только угловые размеры компонентов, но и угловые расстояние между ними. В радиоастрономии база интерферометра интенсивности может составлять несколько км, вместо ФЭУ используют приёмники радиоизлучения, а перемножение производится после квадратичного детектирования. Первые измерения корреляционной функции интенсивности выполнили Р. Браун (R. Brown) и Р. Твисс (R. Twiss) в 1954.

Достоинством Интерферометра интенсивности является его малая чувствительность к флуктуациям разности фаз, вызванных механическими вибрациями, атмосферной турбулентностью, нестабильностью частоты гетеродина (в радиоинтерферометре) и т. д. Однако при наличии внешних помех (фон, шумы приёмника, квантовый шум) чувствительность интерферометра интенсивности по потоку излучения снижается в большей степени, чем чувствительность обычного фазового интерферометра, потому интерферометр интенсивности используют только для ярких источников. Из-за отсутствия информации о фазе Интерферометра интенсивности не даёт комплексного спектра пространственных частот, необходимого для получения изображения.

Интерферометра интенсивности позволяет оценивать корреляционные функции 4-го порядка и по ним судить о статистике поля, что находит применение в лазерной физике и при исследовании сверхкоротких световых импульсов.

5. Интерферометр Майкельсона

Интерферометр Майкельсона является одной из наиболее распространенных скелетных схем интерферометра, предназначенной для различных применений в случае, когда пространственное совмещение объектов, порождающих интерферирующие волны, невозможно или в силу каких-то причин нежелательно.

Схематическое изображение конструкции интерферометра Майкельсона представлено на (рис. 6.).



Рис. 6. Схематическое изображение конструкции интерферометра Майкельсона

Пучок света от практически точечного источника S, находящегося в фокусе линзы, превращается этой линзой в параллельный пучок (часто в современных применениях этот пучок - просто лазерное излучение, не коллимированное дополнительной линзой). Далее этот пучок полупрозрачным плоским зеркалом SM делится на два, каждый из которых отражается назад зеркалами М1,2 соответственно. Эти два отраженных пучка формируют на экране SC интерференционную картину, характер которой определяется соотношением форм волновых фронтов обоих пучков (см. рис. 7).



Рис. 7. Волновые фронты пучков, образующих интерференционную картину

Именно, эти два пучка в точке нахождения экрана могут иметь различные радиусы кривизны волновых фронтов R1,2, а также взаимный наклон последних ?. В частности, легко сообразить, что оба указанных радиуса окажутся одинаковыми, а ?=0, тогда и только тогда, когда зеркала М1,2 оба плоские (или вообще одинаковой формы), и положение зеркала М1 в пространстве совпадает с зеркальным отражением М2 в делителе SM, то есть М2 (см. рис. 6).

В таком случае на экране освещенность будет однородной, что и означает идеальную юстировку интерферометра.

В случае ??0, R1=R2 (расстояния от делителя до зеркал съюстированы правильно, но углы наклона - нет) на экране появится картина эквидистантных прямых интерференционных полос, как при интерференции отраженных от двух граней тонкого клина волн.

В случае ?=0, R1?R2 (правильная угловая юстировка, но неправильные расстояния зеркал до делителя) интерференционная картина представляет собой концентрические кольца, обусловленные пересечением двух сферических волновых фронтов разной кривизны.

Наконец, в случае ?=0, R1=R2, но неидеальной плоскостности одного из зеркал - картина будет представлять собой неправильной формы “кольца Ньютона” вокруг неровностей соответствующей зеркальной поверхности.

Все указанные изменения наблюдаемой картины наступают при весьма малых (десятые доли длины волны по пространственному позиционированию и высоте неровностей зеркал, и десятки микрорадиан по угловой юстировке) отклонениях юстировочных параметров от идеала. Если учесть это, становится ясным, что интерферометр Майкельсона представляет собой весьма точное устройство для контроля позиционирования объекта в пространстве, его угловой юстировки и плоскостности. Специальные методы точного измерения распределения интенсивности в плоскости экрана позволяют повысить точность позиционирования до единиц нанометров.

Техническая реализация осуществляется в полном соответствии с рис. 6 содержательной части. Лазерный пучок гелий-неонового лазера (для наглядности лучше его расширить телескопом до диаметра миллиметров 10-15) делится полупрозрачным зеркалом на два, отражается от двух плоских зеркал, и получается некая интерференционая картина на экране. Затем путем аккуратной юстировки длин плеч и углового положения зеркал добиваются исчезновения интерференционной картины в области перекрытия пучков на экране.

Применения интерферометра Майкельсона в технике весьма разнообразны. К примеру, он может быть использован для дистанционного контроля малых деформаций (отклонений от плоскостности) объекта (заменяющего собой одно из зеркал рис. 6). Такой подход весьма удобен когда по тем или иным причинам нежелательно близкое расположение объекта и эталонной поверхности (второго зеркала рис. 6). Например, объект сильно нагрет, химически агрессивен и тому подобное.

Но самое существенное техническое применение интерферометра Майкельсона состоит в использовании этой схемы в оптических гироскопах, основанных на эффекте Саньяка, для контроля сдвига интерференционной полосы, порожденного вращением.

6. Интерферометр Рождественского

Интерферометр Рождественского – это двухлучевой интерферометр, состоящий из 2-х зеркал M1 , M2 и двух параллельных полупрозрачных пластин P1 , P2 (Рис.8.); M1, P1 и M2, P2 устанавливаются попарно параллельно, но М1 и М2 наклонены относительно друг друга на малый угол; расстояние М1Р1 = М2Р2 и M1P2=P1M2. Луч света разделяется пластиной Р1 на 2 луча, которые после отражений от M1 , M2 и прохождения Р2 оказываются параллельными с разностью фаз

? = (4?D/?)(cos i1 — cos i2).

Поскольку ? не зависит от положения лучей на зеркалах и определяется лишь углами падения, интерференционная картина будет локализована на бесконечности (или в фокальной плоскости объектива О). Параллельному пучку лучей, падающих на Интерферометр Рождественского, соответствует одна точка интерференционно картины, и, следовательно, для наблюдения всей картины необходим пучок конечной апертуры. Вид картины (порядок и ширина полос, их ориентация) зависит от наклона зеркал M1 и M2. Если, например, ребро двугранного угла, образованного M1 и M2, вертикально (перпендикулярно чертежу), то даже при очень малой разности (i1-i2) полосы сравнительно высокого порядка (D велико) вертикальны и почти параллельны.



Если же ребро двугранного угла горизонтально, то в поле зрении находятся горизонтальные полосы низкого порядка (в т.ч. нулевая), видные и в белом свете. Введение в один из пучков к.-л. прозрачного объекта, например пластинки, изменяет ширину, порядок и ориентацию полос: нулевая полоса не горизонтальна и появляется при некоторой промежуточной ориентации M1 и M2 ; при очень большой толщине этой пластинки в белом свете можно видеть только очень узкие, почти вертикальные полосы, когда ребро угла между M1 и M2 почти вертикально. Схема, аналогичная (рис. 9.) применяется виитерфорометре Маха — Цендера: отличие его от Интерферометра Рождественского состоит в том. что попарно параллельно устанавливаются M1 и M2 п Р1, Р2. При этом можно получить полосы равной толщины, если точно совместить изображения S и S" источника света S, образованные В двух ветвях интерферометра (рис. 9). Полосы локализованы в плоскости этого изображения, равно как и в плоскости S", сопряжённой с S через объектив О2, где и ведётся наблюдение. Если в пучок лучей вблизи S и S" поместить оптически неоднородную среду (например, поток воздуха), то полосы изменят свою форму, наглядно показывая распределение показателя преломления в исследуемой среде. Ширина полос зависит от угла между M1 и Р1, увеличиваясь с его уменьшением. Если все зеркала и пластины параллельны, то в отсутствие неоднородностей ширина полос бесконечна (интерференционное поле равномерно освещено).



Рис.9. Схема интерферометра Маха — Цендера.

Введение неоднородностей приводит к появлению полос, форма которых соответствует кривым разных значений показателя преломления.

Особенности интерференционной картины в Интерферометре Рождественского и интерферометре Маха — Цендера делают их весьма чувствительными интерференционными рефрактометрами. Их основное преимущество по сравнению с интерферометрами Рэлея и Жамена состоит в большом расстоянии между ветвями интерферометра, что позволяет вносить в пучки лучей весьма большие объекты. Интерферометр Рождественского используется главным образом при изучении аномальной дисперсии, Интерферометр Маха - Цендера применяется для исследования воздушных потоков (например, при обтекании моделей самолётов), ударных волн при взрывах и прочее.

7. Интерферометр Рэлея

ПНТЕРФЕРОМЕТР РЭЛЕЯ (интерференционный рефрактометр) - интерферометр для измерения показатели преломления, основанный па явлении дифракции света на двух параллельных щелях. Схема Интерферометра Рэлея представлена па (рис.10.) в вертикальной и горизонтальной проекциях.



Ярко освещённая щель малой ширины S служит источником света, расположенным в фокальной плоскости объектива О1. Параллельный пучок лучей, выходящий из О1, проходит диафрагму D с двумя параллельными щелями и трубки R1 и R2, в которые вводятся исследуемые газы или жидкости. Трубки имеют одинаковые длины и занимают только верхнюю половину пространства между О1 и объективом зрительной трубы О2. В результате интерференции света, дифрагирующего на щелях диафрагмы D, в фокальной плоскости объектива О2 вместо изображении щели S образуются две системы интерференционных полос, схематически показанные на рис.10. Верхняя система полос образуется лучами, проходящими через трубки R1 и R2, а нижняя — лучами, идущими мимо них. Интерференционные полосы наблюдаются с помощью короткофокусного цилиндрического окуляра О3. В зависимости от разности показателей преломления n1 и n2 веществ, помещенных в R1 и R2, верхняя система полос будет смещена в ту или иную сторону. Измеряя величину этого смешения, можно вычислить n1 - n2. Нижняя система полос неподвижна, и от неё отсчитывают перемещения верхней системы. При освещении щели S белым светом центральные полосы обеих интерференционных картин являются ахроматическими, а полосы, расположенные справа и слева от них, окрашены. Это облегчает обнаружение центральных полос. Измерение перемещения верхней системы полос осуществляется применением компенсатора, который вводит между лучами, проходящими через R1 и R2, дополнительную разность фаз до совмещения верхних и нижних систем полос. С помощью интерферометра Рэлея достигается весьма высокая точность измерения до 7- го и даже 8-го десятичного знака. Интерферометр Рэлея применяется для обнаружения малых примесей в воздухе, в воде, для анализа рудничного и печного газов и для других целей.

8. Интерферометр Фабри - Перо



ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО — многолучевой интерференционный спектральный прибор с двумерной дисперсией, обладающий высокой разрешающей способностью. Используется как прибор с пространственным разложением излучения в спектр и фотогр. регистрацией и как сканирующий прибор с фотоэлектрической регистрацией. Интерферометр Фабри-Перо представляет собой плоскопараллельный слой из оптически однородного прозрачного материала, ограниченный отражающими плоскостями. Наиболее широко применяемый воздушный интерферометр Фабри-Перо состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок, расположенных на некотором расстоянии d друг от друга (Рис.11.). На обращённые друг к другу плоскости (изготовленные с точностью до 0.01 длины волны) нанесены высокоотражающие покрытия. интерферометр Фабри-Перо располагается между коллиматорами; в фокальной плоскости входного коллиматора устанавливается освещённая диафрагма, служащая источником света для интерферометра Фабри-Перо. Плоская волна, падающая на интерферометр Фабри-Перо в результате многократных отражений от зеркал и частичною выхода после каждого отражения разбивается на большое число плоских когерентных волн, отличающихся по амплитуде и по фазе. Амплитуда когерентных воли убывает но закону геометрической прогрессии, а разность хода между каждой соседней парой когерентных воли, идущих, в данном направлении, постоянна и равна

?=2dn cos?,

где п — показатель преломления среды между зеркалами (для воздуха n=1), ?- угол между лучом и нормалью к зеркалам. Пройдя через объектив выходного коллиматора, когерентные волны интерферируют в его фокальной плоскости F и образуют пространственную интерференционную картину и в виде колец равного наклона (рис. 12.). Распределение интенсивности (освещённости) в интерференционной картине описывается выражением

I =?kBT?/f22,

где B - яркость источника, ?к — коэффициент пропускания объективов коллиматоров. ? - площадь сечения осевого параллельного пучка, f2 - фокусное расстояние объектива выходного коллиматора, Т - функция пропускания интерферометра Фабри-Перо.

T= Tмакс (1+?2sin2k?)-1

Где Tмакс = , k = 2?/?

? = 2/(1- ?), ?, ? и a – соответственно коэффициент пропускания, отражения и поглощения зеркал, причем ?+ ?+a=1.

Функция пропускания Т, а следовательно, и распределения интенсивности имеет осциллирующий характер с резкими максимумами интенсивности (рис. 13), положение которых определяется из условия

,

где т (целое число) - порядок спектра, ? — длина волны. Посредине между соседними максимумами функция Т имеет минимумы 

Поскольку положение интерференционных максимумов зависит от угла ? и равного ему угла ? выхода лучей из второй стеклянной пластинки, то интерференционная картина имеет форму концентрических колец (рис.12.), определяемых из условия , локализованных в области геометрического изображения входной диаграммы (рис.11).



Радиус этих колец равен , откуда следует, что при m = const имеется однозначная зависимость между rт и ? и, следовательно, интерферометр Фабри-Перо производит пространственное разложение излучения в спектр. Линейное расстояние между максимумами соседних колец и ширина этих колец (рис.13.) уменьшаются с увеличением радиуса, т. е. с увеличением rт интерференционные кольца становятся уже и сгущаются. Ширина колец ?r зависит также от коэффициента отражения ? и уменьшается с увеличением ?.

Светосила реального Интерферометра Фабри-Перо в несколько сотен раз больше светосилы дифракционного спектрометра при равной разрешающей способности, что является его преимуществом. Так как интерферометр Фабри-Перо, обладая высокой разрешающей силой, имеет очень маленькую область дисперсии, то при работе с ним необходима предварительная монохроматизация, чтобы ширина исследуемого спектра была меньше ??. Для этой цели применяют часто приборы скрещенной дисперсии, сочетая интерферометр Фабри-Перо с призменным или дифракционным спектрографом так, чтобы направления дисперсий Интерферометра Фабри-Перо и спектрографа были взаимно перпендикулярны. Иногда для увеличения области дисперсии используют систему из двух поставленных друг за другом Интерферометров Фабри-Перо с различной величиной расстояния d, так чтобы их отношение d1/d2 равнялось целому числу. Тогда область дисперсии ?? определяется более «тонким» Интерферометром Фабри-Перо, а разрешающая сила — более «толстым». При установке двух одинаковых Интерферометров Фабри-Перо увеличивается разрешающая сила и повышается контраст интерференционной картины.

Интерферометры Фабри-Перо широко применяются в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасных областях спектра при исследовании тонкой и сверхтонкой структуры спектральных линий, для исследования модовой структуры излучения лазеров и т. п. Интерферометр Фабри-Перо также используется как резонатор в лазерах.

IV. Заключение

В ходе курсовой работы, было проведено ознакомление с интерферометрами разных типов, которые основаны на явлении интерференции света.

Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Интерферометры получили широкое применение, благодаря им производится измерение угловых размеров звезд и угловых расстояний между звездами, измерение показателей преломления газов и жидкостей, а также определение концентрации примесей в воздухе. Интерферометры используются для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей и тому подобное. Изобретение интерферометров внесло большой вклад в развитие астрономии и оптики.

V. Список литературы

Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки. М.: Высш. шк., 1989. – 576 с.

Майкельсон А.А. Исследования по оптике. М. – Л., 1928.

Захарьевский А.Н. «Интерферометры» 1952.

Оптика 5 изд. 1976 (общий курс физики)

Коломийцев Ю.В. «Интерферометры», Л., 1976

Жакино П., Последние достижения интерференционной спектроскопии, «Успехи физических наук», 1962

Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., M., 1957 (Общий курс физики, т. 3)

Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.