Введение в технику физического эксперимента. Метрическая система мер. Измерение длины, времени и частоты, страница 2

Для измерения и сравнения длин волн более популярным стал интерферометр Фабри – Перо (подробнее см. Приложение № 3 «Интерферометры»).

В 1895 г. был предложен, а с 1927 г. уточнен промежуточный эталон – «естественный свидетель прототипа метра» в виде длины волны красной линии кадмия l = 0,64384696 микрона. Соответственно 1 м = 1553164,13×l. Длина когерентности линии кадмия не позволяла непосредственно измерять длины, большие 200 мм.

10. Успехи в разделении изотопов позволили увеличить монохроматичность спектральных линий, а фотоэлектрические методы регистрации позволили считать большое число длин волн автоматически. Поэтому с 1960 года 11 Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра, связанное с квантовым переходом в атоме, точнее – с длиной волны излучения l для квантового перехода 2p₁₀ – 5d₅ изотопов атомов криптона ⁸⁶Kr:

1 метр = 1 м = 1650763,73×l в вакууме.

Свет тлеющего разряда в изотопе криптона-86 обладает большей длиной когерентности (600 мм) и интенсивностью излучения по сравнению с линией кадмия.

Точность воспроизведения единицы длины улучшилась примерно на порядок по сравнению с первым эталоном – среднеквадратичное отклонение £10^-8 м, что составляет 1/10 длины световой волны l = 605,78021 нм = 6057,8021 Å.

Первичный эталон стало возможным воспроизводить независимо в любой лаборатории.

Сравнение эталонов

Наиболее точные измерения и сравнения эталонов производятся с помощью интерферометров. Для сравнения концевых мер применяются полосы равной толщины (пример таких полос – кольца Ньютона, радужные пленки на воде). Принцип сравнения показан на рис. 1. Нижние концы эталонных концевых мер 1, 2 притираются к очень ровной плоской поверхности стеклянной пластины 3, на верхние концы кладётся стеклянная пластина 4 и сверху освещается монохроматическим светом (например, отфильтрованным светом одной из линий ртутной лампы). Если концевые меры различаются в длине, то между торцами мер и стеклянной пластиной образуется клиновидный воздушный зазор и непосредственно глазом видны интерференционные полосы, соединяющие участки поверхности с равной толщиной зазора. Каждая полоса соответствует разнице зазора, равной половине длины световой волны того света, который используется для наблюдения. Верхняя пластина имеет сильно скошенный край, чтобы непосредственно на верхней пластине не возникали видимые паразитные интерференционные полосы, мешающие наблюдению, а также, чтобы имелась возможность раздельно отстроиться от наблюдения бликов на гранях пластины. У верхней и нижней пластины качество поверхности должно быть достаточно высоким – отклонение от плоскостности должно быть в пределах 1/10 длины световой волны.

Для сравнения длин эталонов, длин волн излучения для разных квантовых переходов и сверхточных измерений длины применяются полосы равного наклона. При этом наиболее часто используются интерферометры Майкельсона и Фабри – Перо (см. Приложение № 3 «Интерферометры», [3]).

Для абсолютного измерения и сравнения длин волн источников монохроматического света  применяется спектро-интерферометр Фабри – Перо, показанный на рис. 2 а. Такой спектро-интерфе-рометр входит в состав первичного эталона единицы длины – метра. Одно из зеркал интерферометра Фабри – Перо 5 перемещается с высокой точностью так, чтобы между зеркалами укладывалось целое число длин волн эталонного источника 1. После этого в интерферометр направляется излучение источника 2, длину волны которого следует измерить. Чтобы получить максимальную интенсивность излучения, падающего на фотоприемник, т. е. настроиться на максимум интерференционной картины, когда целое число волн укладывается на длине интерферометра, следует немного изменить длину интерферометра. Это изменение равно дробной части волны. Иначе говоря, сравнивая исследуемое излучение с излучением эталонного источника, определяют дробную часть порядка интерференции. Целое число порядков (длин волн) определяют с помощью нескольких линий излучения. При сильно различающихся длинах волн возможно одновременное освещение источниками 1, 2 интерферометра 5 через полупрозрачное зеркало 3 с одновременной (раздельной для каждого источника) регистрацией количества максимумов, наблюдаемых при изменении длины интерферометра. Многолучевой характер интерференции в интерферометре Фабри – Перо приводит к тому, что световые полосы становятся узкими и позволяют легко замечать разности хода порядка 1/100 l. Соответственно, плоскостность зеркал интерферометра должна быть не хуже указанной величины.

Интерферометр Майкельсона (см. рис. 2 б) применяется для особо точных измерений расстояний в пределах от 1 мкм до нескольких метров. Он состоит из излучателя света 1 (в измерительных комплексах, как правило, He-Ne лазера), двух непрозрачных (8, 9) и одного полупрозрачного (3) плоских зеркал. При точной настройке в удаленной зоне на экране вблизи фотоприёмника 6 наблюдаются полосы в виде концентрических колец (если освещающий пучок непараллельный). Для измерения перемещений зеркала 9 применяется фотоприемник 6, который измеряет количество пробегающих полос на краю интерференционной картины или число миганий светового пятна в центре картины. Число миганий света, подсчитанное электронным счетчиком, равно числу половинок длин волн, на которое сдвинулось зеркало 9. Измерение длины между штрихами штриховых мер производят следующим образом. Излучение источника света 1, длина волны которого измерена описанным ранее спектро-интерферометром Фабри – Перо, подается в интерферометр Майкельсона. Подвижное зеркало 9 жёстко соединено с микроскопом 10. Последний наводится на штрих, затем зеркало перемещается и микроскоп наводится на следующий штрих. Расстояние между ними характеризуется числом интерференционных полос, пробежавших перед щелью фотоприемника при перемещении зеркала от одного штриха к другому. Возможен другой вариант: подвижное зеркало связано с мерой, а микроскоп неподвижен.