ИНТЕРФЕРОМЕТР

Измерительный прибор, основанный на интерференции волн. Существуют И. для звук. волн и для эл.-магн. волн (оптических и радиоволн). Оптич. И. применяются для измерения оптич. длин волн спектр. линий, показателей преломления прозрачных сред, абс. и относит. длин объектов, угл. размеров звёзд и пр., для контроля кач-ва оптич. деталей и их поверхностей и т. д.

Принцип действия всех И. одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков (см. КОГЕРЕНТНОСТЬ), к-рые проходят разл. оптич. пути, а затем сводятся вместе, и наблюдается результат их интерференции (см. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА). Вид интерференционной картины зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, оптич. разности, хода, относит. интенсивности, размеров источника, спектр. состава света.

Методы получения когерентных пучков в И. разнообразны, и потому существует большое число разл. конструкций И. По числу интерферирующих пучков света оптич. И. можно разделить на многолучевые и двухлучевые. Многолучевые И. применяются гл. обр. как интерференционные спектральные приборы для исследования спектр. состава света. Двухлучевые И. используются и как спектр. приборы, и как приборы для физ. и техн. измерений.

Примером двухлучевого И. может служить интерферометр Майкельсона (рис. 1). Параллельный пучок света источника L, проходя через объектив O1 и попадая на полупрозрачную пластинку Р1 разделяется на два когерентных пучка 1 и 2. После отражения от зеркал M1 и М2 и повторного прохождения луча 2 через пластинку P1 оба пучка проходят в направлении А О через объектив O2 и интерферируют в его фокальной плоскости D. Наблюдаемая интерференц. картина соответствует интерференции в возд. слое, образованном зеркалом M2 и мнимым изображением М'1 зеркала M1 в пластинке P1. Оптич. разность хода при этом равна:

D=2(AC-АВ)=2l,

где l — расстояние между M2 и M'1. Если зеркало М1 расположено так, что М'1 и М2 параллельны, то образуются полосы равного наклона, локализованные в фокальной плоскости объектива O2 и имеющие форму концентрич. колец. Если же M2 и М'1 образуют возд. клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина M2M'1 и представляющие собой параллельные линии.

Рис. 1. Схема интерферометра Майкельсона: Р2 — пластинка, компенсирующая дополнит. разность хода, появляющуюся за счёт того, что луч 1 проходит только один раз через пластинку P1; D — диафрагма.

Интерферометром Майкельсона широко пользуются в физ. измерениях и техн. приборах. С его помощью впервые была измерена абс. величина длины волны света, доказана независимость скорости света от движения источника и др. (см. МАЙКЕЛЬСОНА ОПЫТ). Он используется и как спектральный прибор, позволяющий анализировать спектры излучения с высоким разрешением, доходящим до =0,005 см-1 (см. ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИЯ).

Интерферометр Майкельсона применяется в технике для абс. и относит. измерений длин эталонных пластинок с точностью до 0,005 мкм. В сочетании с микроскопом он позволяет по виду интерференц. картины измерять величину отступлений от плоскости и форму микронеровностей металлич. поверхностей.

Существуют двухлучевые И., предназначенные для измерения показателей преломления газов и жидкостей — интерференц. рефрактометры.

Рис. 2. Схема интерферометра Жамена.

Один из них — интерферометр Жамена (рис. 2). Пучок монохроматич. света S после отражения от передней и задней поверхностей первой стеклянной пластинки Р1 разделяется на два пучка S1 и S2. Пройдя через кюветы К1 и К2 и отразившись от поверхностей стеклянной пластинки Р2- слегка повёрнутой относительно P1, пучки попадают в зрит. трубу Т, где интерферируют, образуя прямые полосы равного наклона. Если одна из кювет наполнена в-вом с показателем преломления n1, а другая — с n2, то по смещению интерференц. картины на число полос т по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же в-вом, можно найти Dn=n1-n2=ml/l (l — длина волны света, l — длина кюветы). Точность измерения Dn очень высока и достигает 7-го и даже 8-го десятичного знака.

Рис. 3. а —схема звёздного интерферометра Майкельсона; б — вид интерференц. картин.

Для измерения угл. размеров звёзд и угл. расстояний между двойными звёздами применяется звёздный интерферометр Майкельсона (рис. 3, а). Свет от звезды, отразившись от плоских зеркал М1, М2, М3, M4, образует в фокальной плоскости телескопа интерференц. картину. Угл. расстояние между соседними максимумами q=l/D, где D — расстояние между зеркалами M1 и М2 (рис. 3, а). При наличии двух близких звёзд, находящихся на угл. расстоянии j, в телескопе образуются две интерференц. картины, также смещённые на угол j, ухудшая видимость полос. Изменением D добиваются наихудшей видимости картины, что будет при условии

j=1/2q=l/2D,

откуда можно определить j.

Многолучевой интерферометр Фабри — Перо (рис. 4) состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок Р1 и Р2, на обращённые друг к другу и параллельные между собой поверхности к-рых нанесены зеркальные покрытия с высоким (85—98%) коэфф. отражения. Параллельный пучок света, падающий из объектива О1, в результате многократного отражения от зеркал образует большое число параллельных когерентных пучков с пост. разностью хода D=2nhcosq между соседними пучками, но разл. интенсивности. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости L объектива О2 образуется интерференц. картина, имеющая форму концентрич. колец с резкими интенсивными максимумами, положение к-рых определяется из условия D=ml (m — целое число), т. е. зависит от длины волны. Поэтому интерферометр Фабри — Перо разлагает сложное излучение в спектр. Применяется такой И. и как интерференционный спектр. прибор высокой разрешающей силы, к-рая зависит от коэфф. отражения зеркал r и от расстояния h между пластинками, возрастая с их увеличением. Так, напр., при r=0,9,h=100 мм, l= 5000? минимальный разрешаемый интервал длин волн dl=5*10-4 ?. Специальные сканирующие интерферометры Фабри — Перо с фотоэлектрич. регистрацией используются для исследования спектров в видимой, ИК и в сантиметровой области длин волн.

Рис. 4. Схема интерферометра Фабри — Перо (S — источник света).

Разновидностью интерферометров Фабри — Перо явл. оптические резонаторы лазеров, излучающая среда к-рых располагается между зеркалами И. Разность частот Dn между соседними продольными модами в излучении лазеров зависит от расстояния между зеркалами резонатора l: Dn=с/2l. Перемещение одного из зеркал на величину dl приводит к изменению разностной частоты на d(Dn)=cdl/2l2, к-рое может быть измерено с помощью фотоприёмника радиотехн. методами. Это используется в лазерных И., предназначенных для измерения длин объектов и их перемещений.

Использование в измерит. И. в кач-ве источника света лазеров, обладающих высокой монохроматичностью и когерентностью, позволяет значительно повысить точность измерений.