Интерферометры

Самый простой из многолучевых интерферометров – интерферометр Фабри-Перо. Этот прибор используют для точных измерений длин волн и в спектроскопии высокого разрешения. Он состоит из двух параллельных высококачественных зеркал, расположенных на некотором фиксированном расстоянии друг от друга. Для получения качественной интерференционной картины отклонения от плоскостности у зеркал должна быть менее сотой доли длины волны.

Интенсивность монохроматического светового пучка, прошедшего через интерферометр по отношению к падающей волне, описывается формулой Эйри

.

Рис.8.4. Распределение интенсивности монохроматического света, прошедшего интерферометр Фабри-Перо при различных значениях коэффициентов отражения зеркал R.

d = (2p d cosq)/l.

Рис. 8.5. Ход лучей в интерферометре Фабри-Перо. Лучи монохроматического света, испытывающие многократные отражения от зеркал интерферометра, для некоторых направлений складываются в фазе, образуя интерференционные кольца.

А Б

Рис. 8.6. Фотография интерференционной картины, возникающей на экране в фокальной плоскости объектива, на выходе интерферометра Фабри-Перо. Интерферометр освещен излучением непрерывного гелий-неонового лазера. При изменении расстояния d между зеркалами интерферометра на половину длины волны интерференционные кольца сжимаются или расширяются, смещаясь на один порядок интерференции. А – спектр излучения лазера не разрешается. Б – разрешенный спектр гелий-неонового лазера, содержащий 5 частот, которые называют продольными модами лазерного резонатора.

На экране F наблюдается система концентрических колец, угол наблюдения которых удовлетворяет условию интерференционного максимума пропускания:

2d cos q = ml, где m = 1, 2, 3 …

Разрешающую способность интерферометра Фабри-Перо характеризуют критерием резкости интерференционных максимумов

, который стремиться к бесконечности при R ® 1. Для R = 0,9 F = 30. Это означает, что ширина интерференционной линии в 30 раз уже расстояния между порядками интерференции.

В современных лабораториях широко используют сканирующий интерферометр Фабри-Перо, в которых спектр излучения регистрируют за счет изменения расстояния между зеркалами на половину длины волны. Это делают, например, изменяя давление воздуха внутри интерферометра, или перемещая одно из зеркал с помощью пьезокерамической пластины, к которой прикладывается управляющее электрическое напряжение. Фотоприемник, установленный на оптической оси интерферометра, при смещении зеркала зарегистрирует интерференционную картину, которая будет содержать спектральные линии - спектр сигнала с максимально высоким разрешением

Разрешающая способность интерферометра Фабри-Перо может достигать ~ 1 МГц. Это означает, что относительная разрешающая способность этого прибора в видимой области спектра Dn/n» 10^-9.

Для исследования спектров лазерного излучения удобно использовать интерферометр Фабри-Перо со слегка разъюстированными зеркалами в виде клинового слоя. В этом случае для наблюдения интерференционных полос на интерферометр следует направлять параллельный световой пучок. Разрешаемые спектральные линии сигнала – интерференционные полосы при этом будут прямыми, а не кольцевыми.

Интерферометр Рождественского (или Жамена, Маха-Цандера) используют для точных измерений разностей показателей преломления вещества, помещаемого в кюветы К₁ и К₂. Например, может быть измерена зависимости показателя преломления газа или жидкости от давления, температуры, концентрации примесей для разных длин волн. Точность измерения показателя преломления может достигать 8 … 9 значащих цифр.

Рис. 8.7. Интерферометр Рождественского (Маха-Цандера). Исследуемые образцы помещают между зеркалами Р₁М₂ или М₁Р₂.

Плоскопараллельные стеклянные пластины интерферометра Жамена полируют вместе в ходе одного технологического процесса. Поэтому их толщины точно одинаковы.

С использованием интерферометров-рефрактометров было установле-но, например, что при распространении света в воздухе скорость света уменьшается на ~ 91 км/с по сравнению с вакуумом. Таким образом, показатель преломления воздуха при нормальных условиях равен 1,0002780 (l = 540 нм).

Для проведения таких измерений надо постепенно откачивать воздух из кюветы К₁ (рис. 8.8) и наблюдать на сколько интерференционных полос m сместится при этом интерференционная картина на выходе интерферометра, то есть на сколько длин волн изменится оптическая толщина кюветы nl при достижении максимального вакуума по сравнению с оптической толщиной эталонной кюветы К₂. Изменение оптической толщины кюветы равно nl = ml. Таким образом, относительное изменение показателя преломления равно dn/n =ml/nl.

Рис. 8.8. Интерферометр Жамена. Если плоскопараллельные пластины установлены параллельно друг другу, то разность хода лучей S₁ и S₂ равна нулю. Для наблюдения интерференционных полос пластины слегка разъюстируют.

Интерферометр Рождественского более удобен в использовании, так как расстояние между опорным и измерительным световыми пучками может быть значительно больше, чем в интерферометре Жамена. Поэтому в интерферометрах такого типа можно использовать образцы или кюветы больших поперечных размеров.

Дата добавления: 2014-01-13