Интерферометр Майкельсона

1. Интерферометр Майкельсона.

Рис. 1. Схема  интерферометра Майкельсона (P₂ - пластинка, компенсирующая дополнительную разность хода, появляющуюся за счёт того, что луч 1 проходит дважды через пластинку P₁). 

     Параллельный  пучок света источника L, попадая на полупрозрачную пластинку P₁, разделяется на пучки 1 и 2. После отражения от зеркал M₁ и M₂ и повторного прохождения через пластинку P₁ оба пучка попадают в объектив O₂, в фокальной плоскости D которого они интерферируют. Оптическая разность хода D = 2(AC — AB) = 2l, где l — расстояние между зеркалом M₂ и мнимым изображением M₁¢ зеркала M₁ в пластинке P₁. Таким образом, наблюдаемая интерференционная картина эквивалентна интерференции в воздушной пластинке толщиной l. Если зеркало M₁ расположено так, что M₁¢ и M₂ параллельны, то образуются полосы равного наклона, локализованные в фокальной плоскости объектива O₂ и имеющие форму концентрических колец. Если же M₂ и M₁¢ образуют воздушный клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина M₂M₁¢ и представляющие собой параллельные линии.

     Интерферометр Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью впервые была измерена абсолютная величина длины волны света, доказана независимость скорости света от движения Земли .Перемещая одно из зеркал интерферометра Майкельсона, получают возможность плавно изменять D, а зависимость интенсивности центрального пятна от D, в свою очередь, даёт возможность анализировать спектральный состав падающего излучения с разрешением 1/D см^—.

2. Компаратор интерференционный Кёстерса

     Компаратор интерференционный Кёстерса — применяется для абсолютного и относительного измерений длин концевых мер (измерительных плиток) сравнением их с длиной волны света или между собой с точностью » 0,025 мкм, а сочетание его с лазером (при стабилизации частоты ~ 2×10^-9) позволяет с такой же абсолютной точностью измерять длины порядка 10 м. При замене плоских зеркал в интерферометре Майкельсона отражающими триэдрами его используют для измерения углов с точностью до 10^-6 рад. Сочетание интерферометра Майкельсона с микроскопом (микроинтерферометр В. П. Линника) позволяет по виду интерференционной картины определять величину и форму микронеровностей металлических поверхностей.

Рис. 2. а —  схема интерферометра Кёстерса (обозначения  те же, что в интерферометре Майкельсона; А — диспергирующая призма, К — концевая мера, S₁ — щель монохроматора); б — вид интерференционной картины.

3. Интерферометр Жамена.

Рис. 3. Схема  интерферометра Жамена.

     Пучок света S после отражения от передней и задней поверхностей первой пластины P₁ разделяется на два пучка S₁ и S₂. Пройдя через кюветы K₁ и K₂, пучки, отразившиеся от поверхностей пластины P₂, попадают в зрительную трубу Т, где интерферируют, образуя полосы равного наклона. Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n₁, а другая с n₂, то по смещению интерференционной картины на число полос m по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти Dn = n₁ — n₂ = =ml/l (l — длина кюветы).

4. Интерферометр Рождественского.

В нем используются две полупрозрачные пластинки P₁ и P₂ и два зеркала M₁ и M₂.

Рис. 4. Схема интерферометра Рождественского.

     В этом интерферометре расстояние между пучками S₁ и S₂ может быть сделано очень большим, что облегчает установку в один из них различных исследуемых объектов, поэтому они широко применяются в аэрогазодинамических исследованиях.

5. Интерферометра Маха-Цандера. 

   Параллельный  пучок света (в современных версиях  обычно расширенный телескопом пучок  непрерывного лазера),  делится полупрозрачным зеркалом BS на два плеча, которые в дальнейшем сводятся при помощи “глухих” зеркал М1,2, полупрозрачного зеркала SM и объектива L на условном экране SC (фотопленка, светочувствительная ПЗС-матрица и т.п. регистраторы распределения интенсивности). 

   В плечи  интерферометра вводятся соответственно исследуемый газовый поток FLOW (то есть как правило излучение проходит поперек соответствующей аэтодинамической трубы четрез специальные прозрачные окна), и кювета сравнения REF, заполненная тем же газом но в состоянии покоя. Угол сведения пучков a выбирается с тем расчетом, чтобы, как показано на рисунке, область локализации интерференционных полос (в данном случае пересечения проходящего через SM пучка с продолжением отраженного) совпадала с выходным сечением исследуемой газовой кюветы (трубы). Эта область локализации изображается объективом на экран. В результате на нем возникает, в отсутствии потока, система эквидистантных прямых интерференционных полос, с расстоянием между полосами:  

L»l/a  

где l - длина волны излучения;

a - малый угол между пучками в радианной мере.   

   При наличии  потока (то есть модуляции плотности  газа и соответствующего фазового набега одного из пучков) интерференционные  полосы искривляются, причем их линейное смещение относительно неискривленного  положения пропорционально изменению  плотности газа в данной части потока. Таким образом, по получившейся интерференционной картине восстанавливают распределение плотности газа в потоке. Интерферометр Маха-Цандера широко применяется для исследование распределения плотности в газовых потоках. Кроме того, он применяется и в оптических схемах для статической или динамической голографии в тех случаях, когда нужно обеспечить малый угол сведения предметного и опорного пучков и/или их малую оптическую разность хода.

6. Интерферометр Рэлея

Рис. 5. а — схема  интерферометра Рэлея; б — вид  интерференционной картины.

     В нем интерферирующие пучки выделяются с помощью двух щелевых диафрагм D. Пройдя кюветы K₁ и K₂, эти пучки собираются в фокальной плоскости объективом O₂, где образуется интерференционная картина полос равного наклона, которая рассматривается через окуляр O₃. При этом часть пучков, выходящих из диафрагм, проходит ниже кювет и образует свою интерференционную картину, расположенную ниже первой. Если показатели преломления n₁ и n₂ веществ в кюветах, то из-за разности хода в кюветах верхняя картина сместится относительно нижней. Измеряя величину смещения по числу полос m, можно найти Dn.Точность измерения показателей преломления с помощью интерференционных рефрактометров очень высока и достигает 7-го и даже 8-го десятичного знака. 
 
 
 
 
 

     7. Звёздный И. Майкельсона.

Рис. 6. а — схема  звёздного интерферометра Майкельсона; б — вид интерференционных  картин.

     Для измерения угловых размеров звёзд  и угловых расстояний между двойными звёздами применяется звёздный интерферометр Майкельсона. Свет от звезды, отразившись от зеркал M₁, M₂, M₃, M₄, образует в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину. Угловое расстояние между соседними максимумами q = l/D (рис. 6, б). При наличии двух близких звёзд, находящихся на угловом расстоянии j, в телескопе образуются две интерференционные картины, также смещенные на угол j. Изменением D добиваются наихудшей видимости картины, что будет при условии j = ¹/₂q = l/2D, откуда можно определить j.

8. Многолучевой И. Фабри — Перо

Рис. 7. Схема интерферометра Фабри — Перо (S — источник света).

     Он  состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок P₁ и P₂, на обращённые друг к другу и параллельные между собой поверхности которых нанесены зеркальные покрытия с высоким (85—98%) коэффициентом отражения. Параллельный пучок света, падающий из объектива O₁, в результате многократных отражений от зеркал образует большое число параллельных, когерентных пучков с постоянной разностью хода между соседними пучками. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости L объектива O₂ образуется интерференционная картина, имеющая форму концентрических колец с резкими интенсивными максимумами, положение которых зависит от длины волны. Поэтому интерферометра Фабри — Перо разлагает сложное излучение в спектр. Применяется интерферометра Фабри — Перо как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы. Специальные сканирующие интерферометра Фабри — Перо с фотоэлектрической регистрацией используются для исследования спектров в видимой, инфракрасной и сантиметровой областях длин волн. Разновидностью интерферометра. Фабри — Перо являются оптические резонаторы лазеров, излучающая среда которых располагается между зеркалами интерферометра.

     9. Опыт Юнга

     Опыт Юнга – первый опыт по наблюдению интерференции света, осуществленный в 1827 г. Источником света служит ярко освещенная щель S. Свет, прошедший через 5, падает на две узкие щели S₁ и S₂ . Световые пучки, прошедшие через S₁ и S₂ , уширяются вследствие дифракции. Интерференция наблюдается на экране в области перекрытия дифракционных пучков. 
 
 
 
 

11. Бизеркало Френеля.

     Бизеркало Френеля (1816 г.). Свет от источника S отражается от двух зеркал, расположенных под достаточно малым углом α. Волны, падающие на экран, могут рассматриваться как волны от двух мнимых изображений источника S в обоих зеркалах. При изменении положения точки наблюдения P на экране изменяется разность хода Δ, в результате чего возникает система интерференционных полос, ширина которых зависит от угла схождения лучей φ.

12. Зеркало Ллойда.

     В этой схеме прямой пучок от источника  интерферирует с пучком, отраженным от зеркала (мнимое изображение S'). Схема редко применяется в оптике, но довольно часто используется в радиоастрономии при исследовании источников космического радиоизлучения. В этом случае в качестве зеркала используется поверхность моря или озера.