Введение в технику физического эксперимента. Метрическая система мер. Измерение длины, времени и частоты, страница 10

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 (одинаковых по частоте и фазе, т. е. в пространстве и времени) пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе, и наблюдается результат их интерференции (сложения). В результате сложения когерентных пучков складываются не квадраты амплитуд пучков (интенсивности света), а амплитуды. Таким образом, в результате сложения двух пучков в противофазе может получиться темнота, а в результате сложения в фазе – яркость в 4 раза большая нежели яркость исходных пучков. Это не противоречит закону сохранения энергии, т. к. в среднем энергия ярких и тёмных мест остаётся равной сумме энергий исходных пучков.

По числу интерферирующих пучков света интерферометры можно разделить на многолучевые и двухлучевые. Многолучевые интерферометры применяются главным образом как интерференционные спектральные приборы для исследования спектрального состава света. Двухлучевые интерферометры используются и как спектральные приборы, и как приборы для физических и технических измерений.

Интерферометр Майкельсона

Примером двухлучевого интерферометра может служить интерферометр Майкельсона (рис. 10). Параллельный пучок света источника L, проходя через объектив O₁ и попадая на полупрозрачную пластинку P₁, разделяется на два когерентных пучка 1 и 2. После отражения от зеркал M₁ и M₂ и повторного прохождения луча 2 через пластинку P₁ оба пучка проходят в направлении АО через объектив О₂ и интерферируют в его фокальной плоскости D. P₂ – пластинка, компенсирующая дополнительную разность хода, появляющуюся за счёт того, что луч 1 проходит только один раз через пластинку P₁ (нужна для света с малой длиной когерентности); D – диафрагма, d – детектор. Наблюдаемая интерференционная картина соответствует интерференции в воздушном слое, образованном зеркалом M₂ и мнимым изображением M₁¢ зеркала M₁ в пластинке P₁. Оптическая разность хода при этом равна: D= 2(АС – АВ) = 2l, где l – расстояние между M₂ и M₁¢. 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. Каждому кольцу соответствует одинаковый наклон пучка света относительно оптической оси устройства. Вся картина колец видна только в расходящемся (или сходящемся) пучке света, в котором одновременно представлены разные наклоны пучков света. В случае освещения параллельным пучком света в фокальной плоскости D наблюдается результат в виде единственного тёмного или светлого пятна (в зависимости от оптической разности хода D).

Если же M₂ и M₁¢ образуют воздушный клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина M₂ M₁¢ и представляющие собой параллельные линии. Каждой линии в изображении соответствует одинаковая толщина клина M₂ и M₁¢.

Полосы равной толщины гораздо проще могут быть получены без интерферометра Майкельсона при непосредственном контакте плоской поверхности с неплоской (например, линзы и плоской поверхности – т. н. Кольца Ньютона), на мыльных плёнках или на любых гладких прозрачных плёнках неоднородных по толщине.

Интерферометр Майкельсона широко используются в физических измерениях и в технических приборах. С его помощью впервые была измерена абсолютная величина длины волны света, доказана независимость скорости света от движения источника. Он используется и как спектральный прибор, позволяющий анализировать спектры излучения с высоким разрешением, доходящим до ~ 0,005 см^-1. Интерферометр Майкельсона применяется в технике для абсолютных и относительных измерений длин эталонных пластинок с точностью до 0,005 мкм. В сочетании с микроскопом он позволяет по виду интерференционной картины измерять величину отступлений от плоскости и форму микронеровностей металлических и стеклянных поверхностей.

Интерферометр Фабри – Перо

Многолучевой интерферометр Фабри – Перо (рис. 11) 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 многократного отражения от зеркал, образует большое числе параллельных когерентных пучков с постоянной разностью хода  между соседними пучками, но различной интенсивности. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости L объектива O₂ образуется интерференционная картина, имеющая форму концентрических колец с резкими интенсивными максимумами, положение которых определяется из условия D = ml (m – целое число), т. е. зависит от длины волны. Поэтому интерферометр Фабри – Перо разлагает сложное излучение в спектр. Наблюдаемая картина является полосами равного наклона, т. е. при освещении монохроматическим светом каждому кольцу соответствует одинаковый угол наклона пучка света относительно оптической оси прибора.

Распределение интенсивности света по радиусу в кольце зависит от величины коэффициента отражения r (чем r больше, тем кольцо тоньше) и от степени монохроматичности падающего света (чем спектр шире, тем кольцо шире). Вся картина колец видна только в расходящемся (или сходящемся) пучке света, в котором одновременно представлены разные наклоны пучков света. Вид колец показан на рис. 12 а, профиль полос – на

рис. 12 б. В случае освещения параллельным пучком света в фокальной плоскости L наблюдается результат в виде единственного тёмного или светлого пятна (в зависимости от оптической разности хода D). Интерферометр Фабри – Перо применяется как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы, которая зависит от коэффициента отражения зеркал r и от расстояния h между пластинками, возрастая с их увеличением. Так, при r = 0,9, h = 100 мм, l = 5000 Å минимальный разрешаемый интервал длин волн dl = 5×10^-4 Å. Столь высокая разрешающая сила бывает необходима для исследования в очень узком диапазоне спектра (например, исследования тонкой структуры профиля спектральной линии). Как правило, при работе в широком диапазоне спектра интерферометр Фабри – Перо используется совместно с обычными спектральными приборами – призменными или решёточными монохроматорами и спектроскопами.