Интерферометр Майкельсона, интерферометр Рэлея

Интерферометр — измерительный прибор, действие которого основано на явлении интерференции.

Принцип действия интерферометра: пучок электромагнитного излучения (света, радиоволн и т. п.) с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и направляется на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить разность фаз интерферирующих пучков в данной точке картины.

Устройство и принцип интерферометра Майкельсона

Основой устройства интерферометра Майкельсона служит явление интерференции световой волны в тонких пленках. В рассматриваемом приборе это явление реализуется при помощи деления амплитуды волны света.

В составе интерферометра имеется плоскопараллельная пластина (A), которая покрыта серебром или алюминием. Эта пластина закреплена на постаменте под углом в 45∘ к направлению лучей. Кроме этого имеются два плоских зеркала (С и D), расположенных перпендикулярно.

Для компенсации разности хода лучей в приборе используется пластинка B. Волны света идут от источника S. Данные волны испытывают частичное отражение от пластины A, часть их них преодолевает данную пластину, таким образом, получают две когерентные световые волны. Волны, прошедшие сквозь пластину A, претерпевают отражение от зеркал C и D, и возвращаются к ней. Часть данных волн снова проходит через пластину A, часть отражается от нее. Полученные волны способны интерферировать на отрезке AK. Интерференция получается в результате деления амплитуды на пластинке A. Картину интерференции наблюдают в зрительную трубу.

Повернем плечо DA на угол 90∘. В таком случае зеркало будет располагаться в положении, которое на рис.1 обозначено как D′. Между зеркалами D′ и C возникает небольшой промежуток, который можно уподобить тонкой пленке. Если зеркала будут расположены строго нормально друг к другу, то в результате интерференции мы получим полосы равного наклона в виде концентрических колец. Для наблюдения картины интерференции в таком случае, зрительную трубу следует настраивать на бесконечность. Если угол между зеркалами не является точно равным 90∘, то промежутком между ними будет клин. Результатом такой интерференции будут прямые полосы равной толщины. Для рассмотрения такой картины интерференции зрительную трубу направляют на грань пластинки A, которая покрыта серебром.

Если световые волны идут четко по оси интерферометра, то оптическая разность их хода (Δ) возникает как разница длин плечей (p1 и p2) интерферометра: Δ=2(p1− p2) (1).

В таком случае разность хода составляет величину: δ=2πΔ/λ (2).

Отметим, что в рассматриваемом случае мы не будем учитывать изменение фазы волны, которая возникает, когда она отражается от зеркал и преломляется в пластинке A, так как картина интерференции от этого не изменяется.

Допустим, что когда волна падает на пластину A, плотность потока ее энергии делится на две части. Зададим волны, которые идут по направлению к зрительной трубе при помощи равнений:

При выполнении условия (6) вся энергия источника приходит к «экрану». Поток энергии, возвращающийся к источнику света, отсутствует.

Интерферометр Рэлея

Интерферометр Рэлея — однопроходной двулучевой интерферометр, разделяющий свет от источника на два потока, разница фаз между которыми создаётся пропусканием света сквозь две одинаковые кюветы, заполненные разными газами.

Свет от источника пропускается через линзу. Эта линза создаёт параллельный пучок, противостоит дифракционному размытию деталей изображения и вырезаете из этого пучка два луча (плечи интерферометра). Каждый из лучей проходит сквозь собственную кювету с газом. На выходе схемы расположена линза, сводящая оба пучка вместе для получения интерференционных полос в её фокусе.

Для измерений в одно из плеч вносится компенсатор — например, стеклянная пластинка, с помощью поворота которой можно изменять оптическую длину пути луча в плече. Если показатель преломления в одном из плеч равен n, то второй неизвестный показатель преломления равен:  где l{\displaystyle \ell }ll— длина кюветы с газом, {\displaystyle \lambda _{0}} — длина волны источника света, m{\displaystyle \Delta m}mьььч— порядок интерференции (количество пересекающихся в заданной точке интерференционных полос).

 При типичных параметрах установки — длине кювет в один метр, длине волны в 550 нм и порядке интерференции 1/40, — можно измерить разницу показателей преломления, равную 10⁻⁸. Чувствительность интерферометра определяется длиной кюветы.