Применение интерферометров в науке и технике
На сегодняшний момент разного рода измерения размеров тел (не только в науке, но и технике) требуют большой точности. Как эталоны для нахождения длины с высокой точностью используют, например, плитки Иогансона (их еще называют концевыми мерами). Это стальные пластины разной толщины параллельные поверхности их тщательно полированы, сделаны максимально возможно плоскими и взаимно строго параллельными. Обладая совокупностью подобных плиток, можно создавать комбинации разной длины, но при этом длина будет известна с большой точностью. Допустимые отклонения имеют порядки в десятые и даже сотые доли микрометров.
Для получения такой точности, изготавливая концевые меры и проверяя их, используют интерферометры (например, Майкельсона или Фабри - Перо). При этом в интерферометре одной из отражающих поверхностей становится поверхность исследуемой концевой меры, толщина ее определяет расстояние до второй поверхности отражения. Применяются разного рода интерференционные компараторы (Компараторы - приборы для метрологических измерений длин в длинах порядка длины волны света. Принцип их действия основан на явлении интерференции света).
Применение явления интерференции позволяет выяснять каково качество полированной поверхности. Высокое качество в полировке зеркал, линз и призм требуется при изготовлении хороших оптических инструментов. Так, лучшие оптические системы допускают отклонения в качестве обработки их поверхностей от заданных, не более чем на десятые, и сотые доли длины волны. Самыми часто используемыми методами проверки служат интерференционные методы.
Существуют интерферометры, которые служат для контроля качества созданных оптических систем. С их помощью проверяют качество обработки поверхности, однородность стекла, которое используется в системе.
Для проверки поверхностей большого размера В.П Линник создал интерферометр, в котором свет падает под большим углом на поверхность большого размера. При этом существенно уменьшается сечение отраженного пучка, интерференция становится возможной и ее можно наблюдать. Этот интерферометр дает возможность проверять с точностью до 1 мкм прямолинейность поверхности, длина которой составляет до 5 м.
Микроинтерферометр В.П. Линника позволяет контролировать чистоту обработки металлических поверхностей.
Явление интерференции в тонких пленках используют в некоторых приборах, так как этот метод позволяет судить о минимальном изменении толщины воздушной прослойки. В интерференционном дилатометре Физо - Аббе за малым тепловым расширением следует изменение толщины воздушного слоя между исследуемым телом и эталонным стеклом.
Интерференционные методы позволяют с высокой точностью выявлять очень малые изменения показателя преломления среды, которые влияют на изменение оптической длины пути, а значит, влекут за собой изменение интерференционной картины. Для этого используют многочисленные интерференционные рефрактометры, например интерферометр (рефрактометр) Жамена. Интерференционная рефрактометрия находит применение в клинических медицинских лабораториях.
Интерференционные явления применяют для точных измерений углов. Так, для проверки правильности улов в стеклянных призмах используют явления интерференции в тонких пластинах. Сделав стандартный стеклянный угольник, его прикладывают к граням призмы и по интерференционным картинам проверяют правильность угла.
Майкельсон использовал свой интерферометр для оценки малых угловых расстояний между двойными звездами, с его помощью он оценивал угловой диаметр звезды.
Схема интерферометра Майкельсона применяется в оптических гироскопах, с помощью которых контролируется сдвиг интерференционных полос при вращении.
Интерферометр интенсивности (система для измерения коэффициента корреляции интенсивности излучения, которое исходит из двух разных точек пространства) используют в радиоастрономии для вычисления угловых размеров звезд и источников космического радиоизлучения. Подобные интерферометры малочувствительны к изменениям разности фаз, которые вызываются механическими вибрациями, турбулентностью в атмосфере и т.д. Но если присутствуют внешние помехи, чувствительность интерферометра интенсивности по потоку излучения уменьшается больше, чем чувствительность обычного фазового интерферометра. В связи с этим интерферометр интенсивности применяют только для ярких источников. Интерферометр интенсивности дает возможность оценивать корреляционные функции четвертого порядка и соответственно судить о статистике поля. Это дает возможность применять его в лазерной физике и при исследовании сверхкоротких импульсов света.
Интерферометр Рождественского применяют при исследовании аномальной дисперсии. Интерферометр Маха - Цендера используют для исследования воздушных потоков (при обтекании моделей самолетов), ударных волн при взрывах.
Интерферометр Рэлея применяют как детектор малых примесей в воде и воздухе, газах.
Интерферометр Фабри - Перо используют в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра в исследованиях тонкой структуры линий спектра. Модовая структура лазеров может быть так же исследована с его помощью. Этот интерферометр может выполнять функции резонатора в лазерах.
Задание: Опишите принцип работы интерференционного рефрактометра.
Решение:
Чувствительные интерферометры, которые позволяют определять малые изменения показателя преломления прозрачных веществ (твердых, жидких, газообразных) связанные с изменением давления, температуры, введением примесей и т.д. называют интерференционными рефрактометрами.
В таком приборе на пути интерферирующих пучков света помещают две одинаковые кюветы, длина которых пусть будет равна $l$. Одна кювета заполнена веществом с известным показателем преломления ($n_0$), другая содержит вещество с неизвестным $n$. Появляющаяся между интерферирующими лучами дополнительная разность хода $\triangle $ при этом будет равна:
\[\triangle =\left(n-n_0\right)l\left(1.1\right).\]Изменение разности хода ведет к сдвигу полос интерференционной картины. Его характеризуют величиной $m_0$:
\[m_0=\frac{\triangle }{\lambda }=\frac{\left(n-n_0\right)l}{\lambda }\left(1.2\right),\]где $m_0$ - показывает часть ширины интерференционной полосы, на которую сместилась картина интерференции. Измерив величину $m_0$, зная $l,\ n_0,\ \lambda $ вычисляют неизвестный коэффициент преломления ($n$). Интерференционные рефрактометры дают возможность измерения показателей преломления с точностью до $\frac{1}{1000000}$.
Задание: В интерферометре, который используют для измерения показателей преломления прозрачных веществ, узкая щель освещается монохроматическим светом с длиной волны $\lambda=589 нм$, две кюветы длиной по $10 см$ содержат воздух. Когда воздух в одной кювете заменили аммиаком, то интерференционная картина сместилась на $N=17$ полос. Показатель преломления воздуха считать равным $n_0=1,000277$. Чему равен показатель преломления аммиака ($n$)?
Решение:
Дополнительная оптическая разность хода лучей$\ (\triangle )$ при наличии аммиака будет равна:
\[\triangle =\left(n-n_0\right)l\left(2.1\right).\]Ее изменение приводит к сдвигу полос интерференционной картины.
\[m_0=\frac{\triangle }{\lambda }=\frac{\left(n-n_0\right)l}{\lambda }\left(2.2\right),\]где $m_0$ - показывает часть ширины интерференционной полосы, на которую сместилась картина интерференции, что в нашей задаче равно $N=16$ полосам.
Выразим из формулы (2.2) показатель преломления аммиака, имеем:
\[n=\frac{{\lambda m}_0}{l}+n_0.\]Переведем имеющиеся численные значения из условий задачи в единицы системы СИ:
$\lambda =589\ нм=589\cdot {10}^{-9}$м, $l=10см=0,1\ м.$ Проведем вычисления:
\[n=\frac{589\cdot {10}^{-9}\cdot 16}{0,1}+1,000277=1,0003712.\]Ответ: $n=1,0003712.$
