Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Мы еще остановимся на значении многослойных диэлектрических слоев при рассмотрении свойств интерферометра Фабри — Перо и интерференционных фильтров (см. 9 5.9). $5.8. ДВУХЛУЧЕВЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ Интерферометрами называют оптические устройства, с помощью которых можно пространственно разделить два луча и создать между ними определенную разность хода. После их соединения наблюдается перераспределение потока световой энергии, т. е. явление интерференции. Обычно с помощью интерферометров решают вполне определенные физические или технические задачи (например, измерение длин или углов, определение показателя преломления и т.
д.) Наблюдение интерференционной картины становится не целью исследования, а средством проведения того или иного измерения. Поэтому оптическая схема интерферометра должна удовлетворять ряду дополнительных требований. Для повышения точности часто вводят значительную разность хода между интерферирующнми пучками и работают в высоких порядках интерференции. В таких случаях используют относительно высокую степень монохроматичности излучения; резко повышаются и требования к юстировке оптической системы.
В дальнейшем будет рассказано также об исследованиях, в которых интерферометры применяют для изучения основных характеристик излучения (степенн монохроматичности, длины волнового цуга и др.). *Сил Крылов а Т Н. Интерференпионные покрытия. Л., над-во «Машиностроение», !973. 174 По-ви имаму, любое из приспособлений для наблюдения стационарной и ерференционной картины может послужить основой для создания соответствующего ннтерферометра. Однако не будем рассматривать двухлув(евой ннтерферометр, основанный на результатах опыта Юнга. Читатель|более подготовлен к пониманию действия интерферометров, в которых используется отражение или преломление световых волн (т.
е. метод Френеля). Исследуем интерференцию двух лучей, отраженных от передней и задней стенок какой-либо диэлектрической пластинки (рис. 5.38). Разность хода этих лучей определяется равенством (5.50). Если пластина достаточно толста, то интерферирующие лучи 1 и 2 разведены на значительное расстояние и в любой из них нетрудно ввести к~ кювету с изучаемым веществом или какой-либо другой объект, создающий дополнительную разность хода Л', которую можно измерить. Однако г с увеличением толщины пластины возникают дополнительные трудности, которые были частично охарактеризованы в й 5.6. Для сведения интерфе- 47 рирующих лучей и компенсации разности хода, Рис.
8.38. Схема создаваемой пластиной, расщепляющей пучки 1 " иитерферометра 2, удобно использовать вторую стеклянную пла- Жамеиа: сгину такой же толщины. Это смягчает требования к, и к, — вюветм к монохроматичности света, проходящего через интерферометр. Такая схема из двух толстых стеклянных пластин, разделенных воздушной прослойкой, реализуется в интерфероггетре Ж омена. Пусть две одинаковые плоскопараллельные пластины установлены примерно параллельно (рис.
5.38). Найдем разность хода Л для такого оптического устройства. Очевидно, что при раздвоении луча на первой пластине возникнет разность хода Л, = 2п1 соз гра — Х/2, на второй Л, =2п!соз гра — Х/2. Если пластины строго параллельны, то Л = = Л, — Л, =0; если же они установлены под малым углом а, то Л =2п1(соз <рв' — соз гр,) = 2п1 гйп <ра йр„ (5.56) где ~ра = (<ра + фа)/2, а малая величина бгра примерно равна рра — Я. Можно показать, что бгра ж е. Условие возникновения максимума интенсивности для исследуемого случая имеет вид 2п1 з(п <рибера = 2т)в/2.
(5.57) Очевидно, что чем меньше бфв ж а, тем шире ннтерференционная полоса. При бфа-м 0 выполняется условие Л = О, и мы увидим, что все поле зрения окрашено в один цвет — ширина интерференционной полосы больше тех угловых размеров, при которых ведется наблюдение интерференционной картины. Тонкой юстировкой относительного положения пластин можно добиться появления интерференционных полос н сосчитать их число в поле зрения. 178 Легко обнаружить, что самые незначительные изменения условий опыта приводят к сдвигу интерференционных полос. Так, например, если поднести руку к пространству между пластинами (незначительно нагреть воздух в этом объеме), то наблюдается интенсивное перемещение полос.
Попробуем провести простую оценку чувствительности метода. Если на пути одного луча вставить кювету длиной 1„наполненную газом с показателем преломления п„а на пути другого — эквивалентную кювету, наполненную другим веществом с показателем преломления и„ то появится дополнительная разность хода а' = 1, (и, — 4,).Следовательно, произойдет сдвиг интерференционных полос. Охарактеризуем этот сдвиг дробью т', показывающей, на какую часть одного порядка интерференции сместились интерференционные полосы. Тогда а' = т'Л. Измеряя сдвиг т', определим а'. Например, полосы сдвинулись на 0,1 порядка интерференции, т. е. т' = 0,1.
Теперь оценим ап = а'П,. Обычно одна из кювет служит контрольной (проводятся относительные измерения). Для простоты будем считать и, = 1 (вакуум) и определим Ьп из соотношения а' = 1, (п, — 1) = 1,Лп. При 1, = 10 см; т' = 0,1; Л = 5 10 ' см получим Ьп = т'Л/11 ж 5 10 ', т. е. можно измерить изменение показателя преломления в шестом знаке после запятой.
Измерение показателя преломления — это особая область метрологии, названная рефрантометрией. Проведенная оценка показывает, что интерференционный метод обеспечивает весьма высокую чувствительность относительных рефрактометрических измерений. Это позволяет использовать такой метод для решения разнообразных задач. Вместе с тем ясно, что реализовать столь высокую чувствительность совсем не просто и, чтобы добиться высокой стабильности интерферометрических измерений, необходима чрезвычайная аккуратность и тщательность в подготовке эксперимента. В этом плане интерферометр Жамена представляется весьма уязвимым. Мы видели, что возможность значительного разведения интерферирующих лучей прямо связана с толщиной пластин интерферо. метра, которые должны изготовляться из однородного стекла, не иметь натяжений и т.
д. Пластины будут медленно прогреваться до температуры окружающей среды, и этот процесс приведет к длительному и плохо контролируемому изменению интерференционной картины. Использование яркого источника света неизбежно еще усложнит установление теплового равновесия, так как часть светового потока, совершающего большой путь в стекле, будет поглощаться пластинами интерферометра. Крайне затруднена работа в ультрафиолетовой области спектра, так как в этом случае необходимы уникальные толстые и однородные кварцевые пластины. Все перечисленные выше обстоятельства привели к тому, что интерферометр Жамена не нашел серьезного применения.
Вместе с тем в работах Маха, Цендера, Прингсхейма и других ученых были развиты идеи, на использовании которых основан этот прибор. Рассмотрим схему интерферометраД. С. Рождественского, широко применяющегося в работах по оптике и спектроскопии в Советском Союзе. Его принципиальная схема приведена на рнс. 5.39.
Задача создания такого ннтерферометра решена очень изящно. Он представляет собой два независимых блока, каждый нз которых содержит одно полупрозрачное зеркале н одно полностью отражающее (А,, А, н А„А,). Сами блоки могут быть разнесены на значительные расстояния (обычно порядка 1 м). Расстоянне между зеркалами А, н А, обеспечивает требуемое разведение пучков 1 н 2 — его можно довести до нескольких десятков сантиметров.
В своей последней работе ()940 г.) Д. С. Рождественский использовал ннтерферометр с расстоянием между зеркалами А, н А, (соответственно А, н А,) около 40 см. Коэффициент отражения полупрозрачных зеркал А, н А в, служащих делителями световых пучков, невелик (40 — 50%); желательно, чтобы интенсивность пучков света 1 н 2 была 4 примерно одинаковой. Этн пластины часто изготовляют нз кварца, что позволяет работать в ультрафиолетовой области спектра. Толщина пластин обычно не превышает ! см, н значительная часть неприятных особенностей, характерных для ннтерфе- Рис 5.39.
Принципиальная рометра Жамена, здесь заметным образом схема интерферометрв Рожне проявляется. дественского Справа показана щель саектро. В НптсрфсрОМЕтрЕ РождЕСТВЕНСКОГО НС графа. используемого в коменна- ПОЛЬЗУЮТСЯ ОТНОСИТЕЛЬНО НЕВЫСОКНЕ ПОРЯД Цнн с ннтеРфеРометром кн интерференции.
Первоначальная юстнровка проводится по «нулевой полосе», соответствующей Л = О. Правда, в последующих измерениях дисперсии паров обычно вводят дополнительную разность хода н исследуют ннтерференцнонные кривые более высоких порядков. Этот прибор, предназначенный для точных нзмереннй изменения показателя преломления газов нлн паров вблизи линии поглощения, рассчитан на исследование интерференционной картины в разных длинах волн. Поэтому обычно ннтерферометр освещают нсточннком непрерывного спектра н нсспедуют спектр поглощения, комбнннруя такой ннтерферометр со спектрографом.
В один нз пучков вводится откачнваемая кювета, закрепленная внутри трубчатой электрической печи; изменяя ее нагрев, можно менять плотность паров металла, помещенного внутри кюветы (рнс. 5.40). Возможно применение н более сложных устройств типа специальной вакуумной печи а, позволяющей экспериментировать с тугоплавкнмн н малолетучнмн веществами прн температурах 2000' С (н более). Температуру внутри печи обычно контролируют оптическим пнрометром нлн специально отградунрованнымн термопарамн. Особое внимание уделяется обеспечению однородности поглощающего столба паров. Для этого подбирают дополнительные обмотки на концах печи, проводят трудоемкие контрольные опыты.
В другой ннтерфернрующнй пучок вводят хорошо Откачанную компенсационную трубку Ь. Ее длина примерно соответствует длине кюветы, а окошки ндентнчны окошкам кюветы с парами металла. Вся предварительная юстнровка ннтерферометра проводится прн холодной кювете, т. е. без введення дополнительной разности хода, обусловленной наличием паров исследуемого металла. В процессе юстировки добиваются, чтобы интерференциониые полосы, отображаемые объективом Ья на вертикальную щель спектрографа Зр, были строго горизонтальны. Особо проверяется наличие в поле зрения «нулевой полосы», для которой порядок интерференции и =О (рис.
5.41, а). Рис 5.40. Схема измерения дисперсии в разреженных га. зах и в парах металлов с помощью ннтерферометра Рождественского Конечно, добиться параллельности нескольких интерференционных полос можно только в относительно небольшом спектральном интервале, так как по мере продвижения в сторону длинных волн расстояние между полосами должно увеличиваться (Л = лтХ). Интерференционные полосы высоких порядков, се. Вто легко проверить непосредственным наблюдением, вводя в один из Рис.
5.41. Интерференцнонные полосы вблизи нулевого порядка (а) и в высоких порядках (б) Рис. 5А2. Изгиб иитерференционных полос вблизи линии поглощения пучков плоскопараллельную стеклянную пластинку толщиной в несколько миллиметров. Тогда появляется система мелких наклонных полос (рис. 5.41, б). На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
