28188

Двухлучевые интерферометры. Интерферометры Рэлея, Жамена, Майкельсона, Линника. Многолучевые интерферометры (интерферометр Фабри-Перо, пластинка Люммера-Герке). Интерференционные фильтры

Доклад

Физика

Если зеркало М1 расположено так что М´1 и М2 параллельны образуются полосы равного наклона локализованные в фокальной плоскости объектива О2 и имеющие форму концентрических колец. Если же М1 и М2 образуют воздушный клин то возникают полосы равной толщины локализованные в плоскости клина М2 М1 и представляющие собой параллельные линии. Если поверхность исследуемого образца имеет дефект в виде впадины или выступа высотой l то интерференционные полосы искривляются. Если то интерференционная полоса искривляется так что занимает...

Русский

2013-08-20

110 KB

138 чел.

51. Двухлучевые интерферометры. Интерферометры Рэлея, Жамена, Майкельсона, Линника. Многолучевые интерферометры (интерферометр Фабри-Перо, пластинка Люммера-Герке). Интерференционные фильтры

Интерферометр – измерительный прибор, действие которого основано на интерференции волн. Оптические интерферометры применяются для измерения оптических длин волн спектральных линий, показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных длин объектов, угловых размеров звёзд и пр., для контроля качества оптических деталей и их поверхностей и т.д.

Интерферометры различаются методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. По числу интерферирующих пучков света оптические интерферометры можно разделить на многолучевые и двулучевые. Многолучевые интерферометры применяются главным образом как интерференционные спектральные приборы для исследования спектрального состава света. Двулучевые интерферометры используются и как спектральные приборы, и как приборы для физических и технических измерений.

Двулучевые интерферометры

Параллельный пучок света, сформированный в результате прохождения от источника L через объектив O1, попадает на полупрозрачную пластинку  P и разделяется на два когерентных пучка 1 и 2. После отражения от зеркал M1 и M2 и повторного прохождения пучка 2 через пластинку P оба пучка проходят в направлении АО через объектив О2 и интерферируют в его фокальной плоскости D.

Наблюдаемая интерференционная картина соответствует интерференции в воздушном слое, образованном зеркалом М2 и мнимым изображением М’1 зеркала М1 в пластинке Р1. Оптическая разность хода при этом равна , где l – расстояние между М’1 и М2. Если зеркало М1 расположено так, что М´1 и М2 параллельны, образуются полосы равного наклона, локализованные в фокальной плоскости объектива О2 и имеющие форму концентрических колец. Если же М’1 и М2 образуют воздушный клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина М2 М’1 и представляющие собой параллельные линии.

Интерферометром Майкельсона широко пользуются в физических измерениях и технических приборах. С его использованием впервые была измерена абсолютная величина длины волны света, доказана независимость скорости света от движения источника и др. Он используется и как спектральный прибор для анализа спектров излучения с высоким разрешением (до ~ 0,005 см-1).

       Аналогично интерферометру Майкельсона устроен микроинтерферометр Линника. В нём светоделительным устройством служит склеенный из двух прямоугольных призм кубик. Граница, по которой склеены призмы, полупрозрачна, поэтому интерферирующие пучки одинаковы по интенсивности. В фокальной плоскости объектива одновременно видны поверхность исследуемого объекта, которым заменяют зеркало М2, и интерференционную картину.  Если поверхность исследуемого образца имеет дефект в виде впадины или выступа высотой l, то интерференционные полосы искривляются. Если, то интерференционная полоса искривляется так, что занимает положение полосы, для которой порядок интерференции отличается на единицу от анализируемой полосы. Если искривление полосы составляет  k полос, то оптическая разность хода, обусловленная дефектом поверхности , откуда легко найти высоту неровности: . Микроинтерферометр Линника применяют для контроля качества полированных металлических поверхностей. 

Для измерения показателей преломления газов и жидкостей применяют интерференционные рефрактометры. Один из них – интерферометр Жамена.

Пучок S монохроматического света после отражения от передней и задней поверхностей первой стеклянной пластинки Р1 разделяется на два пучка S1 и S2. После прохождения через кюветы К1 и К2 и отражения от поверхностей стеклянной пластинки Р2, наклонённой под малым углом относительно пластинки Р1, пучки попадают в зрительную трубу Т и интерферируют, образуя прямые полосы равного наклона.

Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n1, а другая – веществом с показателем преломления n2, то по смещению интерференционной  картины на число полос m по сравнению с ситуацией, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти разность показателей преломления , где l длина кюветы. Точность измерения величины  очень высока и может достигать седьмого и даже восьмого десятичного знака.При измерениях интерференционную полосу нулевого порядка возвращают к центру поля зрения зрительной трубы посредством компенсатора К, для которого предварительно строят график зависимости угла наклона от разности хода, выраженной в числе полос. Для монохроматизации излучения в схему прибора введён светофильтр Ф.

Для прецизионных измерений показателей преломления газов и жидкостей применяют также интерферометр Рэлея. Его оптическая схема – на рисунке 4.

Свет от щели S коллимируется линзой L1 и затем падает на две другие щели S1 и S2, параллельные щели S. Параллельные пучки света от S1 и S2 проходят через разные кюветы Т1 и Т2, наполненные газом или жидкостью, и собираются линзой L2, в фокальной плоскости которой образуются интерференционные полосы, параллельные щелям. Наличием вещества в кюветах обусловлено то, что ширина интерференционных полос мала, и для наблюдения требуется большое увеличение. Так как ширина щели S мала, то невелика яркость интерференционной картины. Увеличение требуется только в направлении, перпендикулярном к полосам, поэтому используется цилиндрический окуляр O, длинная ось которого параллельна полосам. Одновременно с изучаемой интерференционной картиной формируется вторая интерференционная картина, расположенная ниже кювет. Она может служить шкалой для отсчёта. Посредством стеклянной пластинки G эту шкалу смещают по вертикали так, чтобы ей верхний край соприкасался с нижним краем главной системы полос. Резкая линия раздела между ними – это изображение края пластинки G, наблюдаемого через линзу L2. Таким способом можно обнаружить смещения, приблизительно равны 1/40 ширины полосы. На практике удобнее компенсировать оптическую разность хода, а не считать полосы. Компенсация достигается следующим образом: свет, выходящий из кювет, проходит через тонкие стеклянные пластинки, одна из которых (С1) неподвижна, а другая (С2) может вращаться вокруг горизонтальной оси. При этом удаётся плавно изменять оптическую длину пути источника, выходящего из щели S2. Компенсатор С2 калибруется в монохроматическом свете, чтобы определить угол поворота, соответствующий смещению на один порядок в главной системе полос. Нижняя система полос служит нуль-индикатором. При работе сначала с откачанными кюветами добиваются приблизительного совмещения нулевых полос в обеих картинах, затем совмещают их точно в монохроматическом свете, пользуясь компенсатором. После этого одну кювету заполняют исследуемым газом и снова совмещают нулевые порядки. По разности углов поворота компенсатора определяют смещение Δm в главной системе полом, пользуясь градуировочным графиком компенсатора. Показатель преломления газа n´ находят по формуле , где  l длина кюветы с газом, λ0 – длина волны в вакууме. Обнаруживается порядка 10-8.

Многолучевые интерферометры

Простейший многолучевой интерферометр реализуется на основе пластинки Люммера – Герке, которая представляет собой высококачественную прозрачную плоскопараллельную пластинку, толщина которой l и показатель преломления n. Показатель преломления среды вне пластинки n´ = 1 (рисунок 5). Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания – соответственно и .

Интерферирующие пучки усилят друг друга, если разность хода между ними равна целому числу длин волн: ,   где т = 0, 1, 2, … . Минимальная интенсивность будет наблюдаться при т =1/2, 3/2, ….  Наибольший порядок интерференции, который можно получить в многолучевом интерферометре,  (т ~ 20000). Область свободной дисперсии мала. Поэтому многолучевой интерферометр используют только для исследования контуров спектральных линий, выделенных другим спектральным прибором.

Пластинка Люммера – Герке применяется редко. Более распространённый способ получения интерференции многих пучков основан по использовании интерферометров Фабри – Перо. 

Основные части интерферометра Фабри – Перо – две стеклянные или кварцевые платины P1 и P2 с плоскими поверхностями. Поверхности, образующие воздушный зазор, покрыты частично прозрачными плёнками и строго параллельны друг другу. Чтобы устранить вредное влияние света, отражённого внешними поверхностями, пластины делают немного клиновидными. Интерферометр Фабри – Перо формирует интерференционные полосы равного наклона в виде концентрических колец. Достаточно просто можно наблюдать интерференционную картину от интерферометра Фабри−Перо, используя в качестве источника лазер.

В условиях нормального падения света на однородную прозрачную пластинку многолучевая интерференция может быть использована для выделения излучения в узкой (10 – 20 нм) спектральной области. Именно таков принцип действия интерференционных светофильтров (рисунок 7).


Рисунок
1   - Схема интерферометра Майкельсона

L

d

D

О2

О

А

В

1

2

О1

М1

М1

M2

l

Рисунок 2   - Схема микроинтерферометра Линника

L

d

D

О2

О

А

В

К

1

2

О1

М1

М1

M2

l

В

l

T

P2

P1

K2

K1

S2

S1

S

Рисунок 3   - Схема интерферометра Жамена

К

Ф

S1

S2

C1

C2

O

L1

L2

S

T1

T2

C1

C2

G

a)

б)

а – горизонтальное сечение; б – вертикальное сечение

Рисунок 4 – Схема интерферометра Рэлея

Рисунок 5 -  Ход лучей через пластинку Люммера - Герке

2

1

n

l

E00

2

E00

E00

2E00

2E00

22E00ei

P1

P2

L

φ

Рисунок 6 – Схема интерферометра Фабри - Перо

Промежуточный слой из диэлектрика

Частично отражающие плёнки

Стекло

Рисунок 7 – Интерференционный фильтр типа Фабри - Перо


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72438. Функциональные асимметрии больших полушарий мозга, как задатки специальных способностей 427.5 KB
  Природа задатков скрыта во врожденных конструктивных и функциональных особенностях головного мозга человека. Стараясь объяснить отличие между высшей нервной деятельностью человека и животного Павлов подчеркивал что в психике человека имеет место чрезвычайное приложение речь.
72440. СТАНДАРТЫ ВРАЧЕБНОЙ ПОМОЩИ ПРИ КАТАСТРОФАХ 253 KB
  В медицине катастроф необходима стандартизация действий врача, учитывая экстремальность ситуаций, массовый характер и однотипность поражений. Врач скорой помощи, первым прибывший на место катастрофы принимает руководство на себя. Основоположник сортировки Н.Н. Пирогов говорил, что при наличии большого количества...
72441. Лекции по деталям машин 63 KB
  Чтобы не потеряться в океане учебной и научной информации студенту необходим хотя бы простенький компас, которым, надеюсь, послужит предлагаемый конспект лекций. Именно для этого он и создавался. Учитывая же скромный объём, конспект является, образно говоря, путеводителем по незнакомой стране, и не может заменить само путешествие.
72442. История Курского края 1.11 MB
  Краеведение принадлежит к комплексным наукам. В самом термине «краеведение» заключено его определение. Оно изучает природу, историю, хозяйство, население края, его культуру, быт, то есть данная наука близка истории и географии, археологии и искусствоведению, этнографии и другим наукам.
72443. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ: ИСТОРИЯ 1.76 MB
  История в том числе история Отечества история России ставит своей целью показать место и роль её народов в мировом развитии помогает нам постигнуть свое особое место в длинной череде исторических поколений. К работе над курсом было привлечено еще одно дополнительное пособие для старшеклассников...
72445. История менеджмента 602.5 KB
  Управление — понятие широкое. Известно управление машинами, химическими или другими процессами. Оно основано на знании законов механики, физики, химии. Но в обществе происходит управление не только вещами, но и людьми, коллективами людей в процессе производства ими материальных благ.