Виды интерферометров

Интерферометр - измерительный прибор, в котором используется интерференция волн. Существуют интерферометры для звуковых и для электромагнитных волн: оптических (ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра) и радиоволн различной длины. Применяются интерферометры весьма широко. 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 пр.

Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина, вид которой, т. е. форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов, зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.

Методы получения когерентных пучков в интерферометрах очень разнообразны, поэтому существует большое число их различных конструкций. По числу интерферирующих пучков света оптические интерферометры можно разбить на многолучевые и двухлучевые.

Примером двухлучевого интерферометры может служить интерферометр Майкельсона (Рисунок 3). Параллельный пучок света источника L, попадая на полупрозрачную пластинку P₁, разделяется на пучки 1 и 2. После отражения от зеркал M₁ иM₂ и повторного прохождения через пластинку P₁ оба пучка попадают в объектив O₂, в фокальной плоскости D которого они интерферируют. Оптическая разность хода D = 2(AC — AB) = 2l, где l — расстояние между зеркалом M₂ и мнимым изображением M₁¢ зеркала M₁ в пластинке P₁. Таким образом, наблюдаемая интерференционная картина эквивалентна интерференции в воздушной пластинке толщиной l. Если зеркало M₁ расположено так, что M₁¢ и M₂ параллельны, то образуются полосы равного наклона, локализованные в фокальной плоскости объектива O₂ и имеющие форму концентрических колец. Если же M₂ и M₁¢ образуют воздушный клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина M₂M₁¢ и представляющие собой параллельные линии.

Рисунок 3 – Интерферометр Майкельсона

Интерферометр Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью впервые была измерена абсолютная величина длины волны света, доказана независимость скорости света от движения Земли.

Существуют двухлучевые интерферометры, предназначенные для измерения показателей преломления газов и жидкостей, — интерференционные рефрактометры. Один из них — И. Жамена (Рисунок 4). Пучок света Sпосле отражения от передней и задней поверхностей первой пластины P₁ разделяется на два пучка S₁ иS₂. Пройдя через кюветы K₁ и K₂, пучки, отразившиеся от поверхностей пластины P₂, попадают в зрительную трубу Т, где интерферируют, образуя полосы равного наклона. Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n₁, а другая с n₂, то по смещению интерференционной картины на число полос m по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти Dn = n₁ — n₂ = =ml/l (l — длина кюветы).

Рисунок 4 - Интерферометр Жамена

Разновидностями интерферометра Жамена являются интерферометр Маха — Цендера и интерферометр Рождественского (Рисунок 5), где используются две полупрозрачные пластинки P₁ и P₂ и два зеркала M₁ и M₂. В этих И. расстояние между пучками S₁ и S₂ может быть сделано очень большим, что облегчает установку в один из них различных исследуемых объектов, поэтому они широко применяются в аэрогазодинамических исследованиях.

Рисунок 5 - Интерферометр Рождественского

В интерферометре Рэлея (Рисунок 6) интерферирующие пучки выделяются с помощью двух щелевых диафрагм D. Пройдя кюветы K₁ и K₂, эти пучки собираются в фокальной плоскости объективом O₂, где образуется интерференционная картина полос равного наклона, которая рассматривается через окуляр O₃. При этом часть пучков, выходящих из диафрагм, проходит ниже кювет и образует свою интерференционную картину, расположенную ниже первой. Если показатели преломления n₁ и n₂ веществ в кюветах, то из-за разности хода в кюветах верхняя картина сместится относительно нижней. Измеряя величину смещения по числу полос m, можно найти Dn.

Рисунок 6 - Интерферометр Рэлея

Точность измерения показателей преломления с помощью интерференционных рефрактометров очень высока и достигает 7-го и даже 8-го десятичного знака.

Многолучевой интерферометр Фабри — Перо (Рисунок 7) состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок P₁ и P₂, на обращённые друг к другу и параллельные между собой поверхности которых нанесены зеркальные покрытия с высоким (85—98%) коэффициентом отражения. Параллельный пучок света, падающий из объектива O₁, в результате многократных отражений от зеркал образует большое число параллельных, когерентных пучков с постоянной разностью хода между соседними пучками. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости L объектива O₂ образуется интерференционная картина, имеющая форму концентрических колец с резкими интенсивными максимумами, положение которых зависит от длины волны. Поэтому И. Фабри — Перо разлагает сложное излучение в спектр.

Рисунок 7 - Интерферометр Фабри — Перо

Применяется И. Фабри — Перо как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы. Специальные сканирующие И. Фабри — Перо с фотоэлектрической регистрацией используются для исследования спектров в видимой, инфракрасной и сантиметровой областях длин волн. Разновидностью И. Фабри — Перо являются оптические резонаторы лазеров, излучающая среда которых располагается между зеркалами И.

К многолучевым интерферометрам также относятся различного рода дифракционные решётки, которые используются как интерференционные спектральные приборы.

Заключение

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков.

Интерферометры - очень чувствительные оптические приборы, позволяющие определять незначительные изменения показателя преломления прозрачных тел (газов, жидких и твердых тел) в зависимости от давления, температуры, примесей и т. д.

Применение интерферометров очень многообразно. Кроме перечисленного, они применяются для изучения качества изготовления оптических деталей, измерения углов, исследования быстропротекающих процессов, происходящих в воздухе, обтекающем летательные аппараты, и т. д. Применяя интерферометр, Майкельсон впер вые провел сравнение международного эталона метра с длиной стандартной световой волны. С помощью интерферометров исследовалось также распространение света в движущихся телах, что привело к фундаментальным изменениям представлений о пространстве и времени.