Лекция 7. Интерферометр Майкельсона

Интерферометр Майкельсона позволил провести фундаментальные эксперименты, каждый из которых привел к появлению нового направления в физике:

- опыт Майкельсона (который послужил экспериментальным основанием теории относительности); открытие сверхтонкой структуры спектральных линий (приведшее к дальнейшему развитию теории атома).

- Измерения интерференционной картины, создаваемой интерферометром Майкельсона, дали новый метод спектроскопии высокого разрешения – Фурье спектроскопию.

- Интерферометр Майкельсона позволяет сравнивать длину эталонной линейки с длиной волны света от эталонного источника. Это позволило по-новому определить эталон длины – метр.

- С помощью интерферометра Майкельсона измеряют длину когерентности света.

- В последние годы с помощью этого интерферометра измеряют длительность ультракоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов.

Принцип Фурье-спектроскопии

С помощью сканирущего интерферометра Майкельсона (то есть интерферометра, одно из зеркал которого перемещается вдоль оптической оси) можно измерить корреляционную функцию излучения. Выполнив преобразование Фурье этой функции можно найти спектр излучения. Такова идея Фурье-спектроскопии. Она используется для спектроскопии высокого разрешения в ИК области спектра.

Эффективное спектральное разрешение фурье-спектрометра dw = 2p/t_max, где t_max – максимальная разность хода лучей в интерферометре.

При изменении разности хода интерферирующих лучей в интерферометра Майкельсона на его выходе наблюдается смена интерференционных полос. Эта процедура осуществляется просто смещением одного из зеркал интерферометра вдоль его оптической оси. Измерение их интенсивностей позволяет построить зависимость видности интерференционной картины от разности хода лучей.

Рис. 7.1. Сигнал на выходе интерферометра Майкельсона в случае света с прямоугольным спектральным контуром (в). Кривая видности, соответствующая интерференционной картине (г).

Рис. 7.2. Зависимость интенсивности света на выходе интерферометра Майкельсона от смещения зеркала. Свет с а) – монохроматическим, б) – узкополосным спектром, в) – для белого света.

Видность интерференционной картины для монохроматического света не зависит от разности хода интерфереирующих лучей (рис. 7.2а). Для сигналов с широким спектром область наблюдения интерференции сужается. А белый свет на выходе интерферометра способен создавать только несколько интерференционных полос (рис.7.2в).

Спектральную плотность излучения одиночной линии испускания атомной системы описывают формулой Лоренца (лоренцовский контур).

;

Этому спектральному контуру соответствует степень когерентности:

Рис. 7.3. Связь спектра излучения и видности интерференционной картины. Для спектрального дублета кривая видности промодулирована функцией cos(Dwt/2).

Рис. 7.4. Кривая видности зеленого излучения ртути. Слева - спектр, восстановленный по кривой видности. Наличие структуры в огибающей интерференционной картины свидетельствует о сложной структуре спектра излучения (из книги А.А. Майкельсона Световые волны и из применения. М. 1934 г.)

Рис. 7.5. Кривая видности, соответствующая красному излучению паров кадмия. (из книги А.А. Майкельсона Световые волны и из применения. М. 1934 г.). Свечение паров кадмия позволяет наблюдать интерференционную картину при разности хода, превышающей 200 мм, что равняется длине 400 000 волн. На основании подобных измерений Майкельсон делает принципиальный вывод о возможности применения световых волн в качестве эталона длины.

Дата добавления: 2014-01-13