Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Поэтому обычно применяют следующую систему фотографического излучения структуры линий. Интерференционные кольца проектируют объективом 7.з на щель какого-либо спектрографа, в фокальной плоскости которого получается система спектральных линий, пересеченных интерференционными кривыми равного наклона. Если кольца расположены симметрично относительно щели спектрографа, то каждая линия будет пересечена системой симметричных участков колец, расстояние между которыми (в шкале длин волн) равно )чз/(21). Если линия состоит из нескольких компонент, то можно измерить, какую долю от ЛХ составляет расстояние между компонентами, и оценить их относительную интенсивность.
Рис. 5.60. Участок спектра ззз(), сфотографи- Рис. 5.61. Структура линии ззЧ.) роианныа через интерферометр Фабри — с )с=5915 А (1=5 мм) Перо (1=10 мм) На рис. 6.60 представлен образец такой интерферограммы. Это участок спектра одного из изотопов урана (ззЧ)), сфотографированный через интерферометр Фабри — Перо.
На снимке видна линия 6976 А с четкой структурой, состоящей из шести компонент, расстояние между которыми можно измерить с большой точностью. В теории атомных спектров доказываетсяе, что такое расщепление линии (сверхтонкая структура) возникает в результате взаимодействия атомного ядра с электронной оболочкой атома. Результаты изучения сверхтонкой структуры позволяют определить основные ядерные константы.
В данном случае однозначно определяется механический момент (спин) ядра исследуемого изотопа урана. На тойжефотографии видна яркая * Смл Ф р и ш С. Э. Оптнческие спектры атомов. М., Физматгиз, 1963. 199 линия урана(5915 Л),ширина которой больше области свободной дисперсии интерферометра Фабри — Перо при! = 1О мм. Поэтому разные порядки интерференции наложились и структура линии не может быть разрешена. На рис. 5.61 показана структура этой линии, полученная при вдвое меньшем расстоянии между зеркалами интерферометра. В этом случае нет переналожения порядков интерференции. Линия хорошо разрешена также на шесть компонент. Если попытаться при таком значении ! (5 мм) сфотографировать линию 5976 А, то столь хорошо разрешенной структуры, как на предыдущей фотографии, не будет.
Каждая компонента станет шире, и все они сольются. Другими словами (см. 9 6.7), разрешающая сила интерферометра в данном случае недостаточно велика. Надо увеличивать коэффициент отражения зеркал или (что и было сделано) использовать ббльшее расстояние между зеркалами интерферометра. Выше уже указывалось, что интерферометр Фабри — Перо служит основным прибором для проведения метрологических из- '.', '~4%~;.,'..', ", мерений. На рис. 5.62 представ„т'"~4Ф~~ 'ьлг.' ' -'р„з ', лены участки спектра приосвещении интерферометра, скрещенного со спектрографом, светом , -": . ф,:,'д, ' стандартного источника света Ф:чл ', .
' ° ("Кг-лампа) и неон-гелиевого лазера, генерирующего на одной моде. Мы видим, что, несмотря Рис. 5.62.. участок спектра стандартного на очень большое расстояние источника света (мкг-лампа), сфотогра- между отражающими слоями, фироваиимй через иитерферометр фаз- достигающее 10 см, резкость ин- ри — Перо ((=)О см): ( — нерввчоыа зтзлон длнны — оранжевая л»- ТЕРФЕРОГРВММЫ ДЛЯЛИНИИ 6058Л ння нрввтонв (К 6666.4); П вЂ” врезные линии Иэотоца КГ, ВЫбраННОй В Канрнвтонз — вторичные втзлоны (к-б466 гг в честве междУнаРодного стандаР- Х 6422 д); П(-линни (Х-622674) неон-гение- та ДЛИНЫ, ВЕСЬМВ ВЕЛИКВ. ЕЩЕ ного лазера, генерирующего нз одное моде лучше интерферограмма лазерной линии 6328 А, иллюстрирующая перспективность использования одномодового излучения лазера в метрологических целях.
Однако изучение вопроса о том, сколь постоянна в разных опытах длина волны лазерного излучения, еще нельзя считать законченным. Стремление определить исходный эталон длины с очень большой точностью, на первый взгляд, представляется неоправданным. Для того чтобы оценить необходщиость таких измерений, вернемся к рассмотрению упоминавшейся выше задачи о прецизионном определении важнейшей константы — скорости света в вакууме (см. 91.5). Напоминаем, что в этих опытах одновременно измерялись' длина волны и частота стабилизированного инфракрасного лазера и было показано, что погрешность определения с =)(лг оказывается непосредственно к00 связанной с точностью первичного эталона длины.
Действительно, длину волны стабилизированного неон-гелиевого лазера можно интерферометрически измерить соченьмалой погрешностью ( 10 ' А). Для установления абсолютного значения)ь необходимо сравнение ее с первичным эталоном (длина волны спектральной линии )ь„„ж6058 А изотопа " Кг), которое не может быть проведено с точностью, превышающей точность первичного эталона. По некоторым причинам (небольшая асимметрии линии "Кг, кривизна зеркал интерферометра) первичный эталон определен с относительной ошибкой 3.10 ', которая н лимитирует возможность более точного измерения длины волны исследованного лазера.
Заметим, что при независимом определении частоты этого лазера также приходилось сравнивать ее с частотой некоторого первичного эталона. Как известно, в качестве такого «атомного стандарта» в 1966 г. была выбрана частота перехода между двумя сверхтонкими компонен- Рис.
бда. Интерферограмма красной линии неон-гелиевого лааера, генерирующего на одной (а) и двух (б) продольных мо- дах ((=!О см) тами цезия-133 в нулевом магнитном поле. Эта частота (те = = 9 192 631 770 Гц) характеризуется воспроизводимостью 2.10-»г. Секунда определяется как единица времени в этой «атомной» шкале. Несмотря на трудности измерения частот в оптическом диапазоне, частоту исследованного лазера можно сравнить с частотой атомного стандарта. Для этого было взято несколько промежуточных источников стабильных частот (лазеры на углекислом газе, парах воды, синильной кислоте, клистроны). То, что эти сложнейшие измерения были проведены с суммарной относительной ошибкой 6 10-" (т.
е. меньшей, чем при измерении длины волны), свидетельствует о больших успехах современной радиотехники СВЧ. Приводимые на рис. 5.63 интерферограммы лазерной линии 6328А иллюстрируют возможность использования интерферометра Фабри— 201 Перо для исследования модового состава излучения лазера. Если газовый лазер генерирует на двух модах (рис. 5.63, б), то на интерферограмме видны четкие двойные кольца равного йаклона. Измеряя радиусы этих колец, можно определить сдвиг частот между двумя генерируемыми модами. 11ри различных приложениях полезен переход от фотографической регистрации интерференционной картины к фотоэлектрической записи. В этом случае исключается трудоемкая и чреватая дополнительными ошибками операция перехода от почериеиий фотопластинки к ее освещенности.
Это важно тогда, когда исследователя интересует не только положение, но и относительная интенсивность компонент изучаемой структуры. Основы фотоэлектрического метода были разработаны в 50-х годах нашего столетия группой французских физиков (Жакино, Дюфур, Шабаль и др.). За последние годы фотоэлектри- ческий метод получил широкое распроз странение, особенно в связи с исследова" ниями в области лазеров. При фотоэлектрической записи из интерференционной картины выделяют какой-либо диафрагмой некоторый участок так, чтобы в каждый момент времени через нее проходил ограниченный спектральный интервал.
Для этого интерференционную картину перемещают Рис о.а4. схема спектрометра каким-либо образом относительно диас иитерферометром Фабри — фрагмы (такая операция называется перо: сканированием). Интерференционная '„— ";";,твв'", ~каэ~агыа' ' — '". картина, создаваемая интерферометром сыый источиик света; 4- правок»а- Фабри — Перо, представляет собой сииитсльиый клапаи; б — капилляр; 4 — от баллона высокого павловка: стемУ колец н поэтому наиболее ВыГОднО '- иь "и'ви'Яв' " и удобно использовать круглую диа- грамму, помещаемую в центре интерференционной картины. При изменении оптической толщины интерферометра в центре интерференционной картины будут появляться (или исчезать) кольца.
Следовательно, световой поток через диафрагму будет изменяться и фотоумножитель зарегистрирует это изменение света. Сканирование обычно осуществляют изменением давления газа внутри интерферометра (что приводит к изменению показателя преломления среды) или геометрического расстояния между зеркалами. Последнее может быть достигнуто перемещением одного из зеркал (с помощью пьезоэффекта, термического расширения распорных колец и т. д.) Сканирование изменением давления пригодно лишь для достаточно «толстых» интерферометров, так как если 1( 1 мм, то даже при большом изменении давления интерференционная картина смещается меньше чем на один порядок. На рис.
5.64 представлена оптическая схема спектрометра с интерферометром Фабри — Перо, в которой используется такой способ ска- 202 пирования. Интерферометр помещаютв герметическую камеру, внутри которой давлениеможет изменяться от нескольких миллиметров ртутного столба до атмосферного. Для этого из камеры сначала откачивают ротационным насосом воздух, а потом в нее подают через узкий капилляр газообразный азот, находящийся в баллоне под высоким давлением. Эта простая методика в большинстве случаев обеспечивает удовлетворительную точность результатов. Кольца равного наклона фокусируют объективом в плоскости входной щели монохроматора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
