Магистерская_Аникеев (1190874), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Такиесветовые волны называются некогерентными. Получить интерференцию отдвух некогерентных источников невозможно.Чтобы наблюдать интерференцию света, обычно используют один источник. Испускаемую им волну необходимо тем или иным способом разделить надве волны, а затем эти волны свести вместе так, чтобы оптическая разность хода между ними не превышала длины цуга. В этом случае разность фаз междуволнами остается за время наблюдения постоянной во времени и зависит лишьот разности хода накладывающихся волн до точки наблюдения.
В областиналожения волн интерференционный член не равен нулю, а результирующаяинтенсивность оказывается не равной сумме интенсивностей накладывающихсяволн ≠ 1 + 2 . Возникает интерференция света. Волны, способные давать интерференцию, называются когерентными. Интерференционное распределениеинтенсивности представляет собой систему чередующихся максимумов и минимумов интенсивности, то есть светлых и темных полос. Устройства, разделяющие исходный световой пучок на два пучка, вносящие переменную разность хода между ними и сводящие эти пучки вместе в определенной областипространства, называются интерферометрами.
Чередование темных и светлыхполос в области интерференции называется интерференционной картиной [15].Из формулы (8) следует, что максимум интенсивности = (√1 + √2 )2наблюдается, когда = 1, то есть когда разность фаз между волнами в точке наблюдения равна четному числу π: = 2, ( = 0, 1, 2 … ).(11)Так как оптическая разность хода ∆ между волнами связана с разностьюфаз соотношением:=2∙ ∆ = ∙ ∆,(12)24то условие интерференционного максимума для разности хода имеет вид:∆ = , ( = 0, 1, 2 … ).(13)2Минимум интенсивности = (√1 − √2 ) наблюдается, когда =−1, то есть когда разность фаз между волнами в точке наблюдения равна нечетному числу π:1 = (2 + 1) = 2 ( + ) , ( = 0, 1, 2 … ).2(14)Условие интерференционного минимума для разности хода имеет вид:1∆ = ( + ) , ( = 0, 1, 2 … ).2(15)При интерференции двух когерентных волн одинаковой интенсивности 1 =2 = 0 результирующая интенсивность задается формулой: = 20 (1 + ).(16)Таким образом, в максимумах интенсивность в четыре раза больше интенсивности каждой из волн = 40 , или в два раза больше суммарной интенсивности этих волн.В интерферометрах свет от одного источника тем или иным способом разделяется на два или несколько пучков, которые затем совмещаются для образования в области их наложения интерференционной картины.
В зависимости отспособа деления первоначального пучка света интерферометры классифицируют на устройства с делением исходной волны по волновому фронту и амплитудным делением. В приборах первого типа интерферирующие пучки формируются из разных участков исходного волнового фронта (интерференционнаясхема Юнга, интерферометр Релея, зеркала Френеля, Ллойда и т.д.).
В приборахвторого типа пучок делится на две части с помощью одной или нескольких полупрозрачных пластин-делителей в результате отражения и преломления света(интерферометры Майкельсона, Маха-Цендера, Жамена и др.). По числу интерферирующих пучков интерферометры делятся на двулучевые и многолучевые. К первым относятся все вышеперечисленные интерферометры, а к последним относится, например, интерферометр Фабри-Перо, который широко используется в высокоразрешающей спектроскопии и лазерной технике [16].253.1. Интерферометр ЖаменаОдной из возможных конструкций является интерферометр Жамена.
Внешний вид данного прибора представлен на рисунке 3.2.Рисунок 3.2 – Оптическая схема интерферометра ЖаменаГлавной частью интерферометра Жамена являются две одинаковые толстыеплоскопараллельные стеклянные пластинки 1 и 2 , посеребренные с однойстороны.
Обычно эти пластинки располагаются так, чтобы между их плоскостями был небольшой угол. Свет от источника слегка расходящимся пучкомпадает на пластину 1 . Рассмотрим один из лучей этого пучка. При отраженииот пластинки 1 луч раздваивается (отражаясь от передней и задней поверхностей). Каждый из двух параллельных лучей I и II, падающих на пластинку 2 ,при отражении от ее поверхностей снова раздваивается, так что на выходеустановки образуются четыре луча 1, 2, 3, 4, параллельных между собой.
Между любой парой лучей, за исключением лучей 2 и 3, имеется значительная разность хода, обусловленная различным числом прохождений через толщу пластинок 1 и 2 . Эта разность хода составляет несколько сантиметров, так чтопри использовании белого света интерференция между этими лучами ненаблюдается. Интерференционные явления возникают только при суперпозиции лучей 2 и 3. Присутствие лучей 1 и 4 ухудшает четкость интерференционной картины, и поэтому их устраняют с помощью диафрагм.
Пластинки интер26ферометра Жамена устанавливаются не строго параллельно, а под небольшимуглом друг к другу. Если этого не сделать то углы ψ1 и ψ2 окажутся в точностиравны друг другу для всех углов падения, и интерференционные полосынаблюдаться не будут [17].3.2.Интерферометр Маха-ЦендераМодификацией двулучевого интерферометра Жамена является интерферометр Маха-Цендера [18]. Схематическое изображение данного интерферометрапредставлено на рисунке 3.3.Рис. 3.3 – Схема интерферометра Маха-ЦендераВ данной схеме: ЛП – лазерный пучок, МО – микрообъектив, О1 и О2 –объективы, П1 и П2 – делительные пластины, М1 и М2 – зеркала, W, W1 , W2– плоские волновые фронты, Э – экран.Лазерный пучок на входе интерферометра расширяют и делаютпараллельным с помощью колиматора, составленного из двух линз ссовмещеннымифокусами(МОиО2 ).Такимобразом,навходинтерферометра направляют световую волну с почти плоским волновымфронтом W.
Эта волна разделяется пластиной П1 на две части – опорную ипредметную, которые с помощью другой пластины П2 опять соединяются инакладываются друг на друга для образования интерференционной картины27на выходе интерферометра. Если поверхности пластин П1 , П2 и зеркал М1 иМ2 интерферометра строго параллельны друг другу, то и волновые фронтыW1 и W2 на выходе интерферометра также будут параллельны друг другу.Следовательно, разность хода волн всех лучей в интерферирующих пучкахбудет одинаковая и на выходе интерферометра будет наблюдатьсяравномерное распределение интенсивности – интерференционная полосабесконечной ширины. Если же одно из зеркал, например М1 , наклонить намалый угол α/2, то отраженная от него плоская волна повернется на угол α.На выходе интерферометра будут складываться две плоские волны сволновыми фронтами W1 и W2 , наклоненными на угол α друг к другу.Поэтому будет формироваться интерференционная картина с полосамиконечной ширины.
На выходе интерферометра устанавливают объектив О2и с помощью него получают изображение какого-либо сечения световогополя внутри интерферометра. Таким образом, можно наблюдать мнимоеизображениекартиныинтерференцииплоскихволнвнутриинтерферометра. Хотя за объективом О2 плоские волны преобразуются вквазисферические.Особенности интерференционной картины в интерферометре Маха — Цендера делают его весьма чувствительным интерференционным рефрактометром.Его основное преимущество по сравнению с интерферометрами Рэлея и Жамена состоит в большом расстоянии между ветвями интерферометра, что позволяет вносить в пучки лучей весьма большие объекты.3.3.Интерферометр Фабри-ПероТакже большое распространение нашли интерферометры, основанные наприменении оптоволокна. Например, в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо интерференция происходит на частично отражающемторце волокна и внешнем зеркале.
Размер чувствительного элемента датчика перемещений, который основан на этом принципe, сопоставим с диаметром волоконного световода и составляет около 0,1 мм, а его чувствитель28ность может достигать долей ангстрема. При этом сам чувствительный элемент помехоустойчив к внешним электромагнитным наводкам. Принципдействия торцевого волоконно-оптического интерферометра Фабри-Пероизображен на рисунке 3.4.Излучение от источника 1 вводится в оптическое волокно 2 и через разветвитель 3 передается на волокно 4.
При этом часть излучения отражается от торца волоконного световода 4, а другая его часть высвечивается в воздух, отражается от зеркала 5 и возвращается обратно в волокно 4. Отраженный от торцаволокна луч интерферирует с лучом, отраженным от зеркала, и на фотоприемнике 5 регистрируется интенсивность изучения, изменяющаяся периодически взависимости от расстояния между торцом световода и зеркалом [19].12ИсточникизлученияВолоконно оптическийразветвитель45Фотодетектор3ОптическоеволокноЗеркалоРисунок 3.4 – Волоконно-оптический интерферометр Фабри-ПероПри этом смещение зеркала на половину длины волны света изменяет разность фаз интерферирующих лучей на 2, что соответствует одному пеpиодуизменения интенсивности излучения на фотоприемнике.
С шириной спектраизлучения связана видность интерференционной картины. Так как никакой реальный лазер не является идеально монохроматическим, то, следовательно, онимеет ограниченную длину когерентности. Длина когерентности lc связана сшириной спектра ∆λ формулой: = 2 /∆.(17)29При увеличении разности хода интерферирующих лучей видность интерференционной картины уменьшается. При достижении разности хода, равнойдлине когерентности, видность обращается в нуль.Интерферометры Фабри-Перо широко применяются в ультрафиолетовой,видимой и инфракрасных областях спектра при исследовании тонкой и сверхтонкой структуры спектральных линий, для исследования модовой структурыизлучения лазеров и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
