Teória princípu fungovania Michelsonových interferometrov z optických vlákien. Princíp činnosti optických interferometrov

> Michelsonov interferometer

Zvážte princíp činnosti Michelsonov interferometer. Zistite, ako vyzerá interferenčný obrazec v Michelsonovom interferometri, návrhu obvodu a aplikácii.

Michelsonov interferometer je najbežnejšou konfiguráciou v oblasti optickej interferometrie.

Cieľ učenia

Pochopte princíp činnosti Michelsonovho interferometra.

Hlavné body

Interferometria využíva na získanie informácií o nich superponované vlny.
Konkrétny pohon rozdelí lúč svetla na dve dráhy, odrazí sa späť a znovu ich spojí, aby vytvoril interferenčný vzor.
Najznámejšou aplikáciou je Michelsonov-Morleyho experiment, kde nulový výsledok inšpiroval špeciálnu teóriu relativity.

Podmienky

Špeciálna relativita: Rýchlosť svetla zostáva stabilná vo všetkých referenčných sústavách.
Prekryté – umiestnené na niečom inom.
Interferencia je efekt vytvorený superpozíciou v dôsledku skreslenia v dôsledku atmosférických alebo iných vplyvov.

Interferometria

Jednoducho povedané, interferometria je použitie interferencie v superponovaných vlnách na meranie ich charakteristík. Metóda interferometrie sa používa v mnohých vedeckých oblastiach, ako je astronómia, inžinierstvo, fyzika, vláknová optika a oceánografia.

IN priemyselne Používa sa na meranie malých miestností, indexu lomu a nerovností povrchu. Keď sa skombinujú dve vlny rovnakej frekvencie, výsledný vzor je založený na rozdiele v ich fázach. Konštruktívna interferencia vzniká, ak sú vlny vo fáze, zatiaľ čo deštruktívna interferencia nie. Tento princíp sa využíva v interferometrii na získanie informácií o počiatočnom stave vĺn.

Michelsonov interferometer

Michelsonov interferometer je najpoužívanejší interferometer, ktorý vytvoril A. A. Michelson. Princíp fungovania je rozdeliť svetelný lúč na dve dráhy. Potom ich rekombinuje a vytvorí interferenčný obrazec. Na vytvorenie pruhov na detektore musia mať dráhy rôzne dĺžky a zloženie.

Farebné a monochromatické pruhy: (a) – biele pruhy, kde sa dva lúče líšia počtom fázových inverzií; (b) – biele pruhy, kde dva lúče sú charakterizované rovnakým počtom fázových inverzií; (c) – vzor pruhov s monochromatickým svetlom

Na obrázku nižšie je znázornené, ako zariadenie funguje. M 1 a M 2 sú dve vysoko leštené zrkadlá, S je svetelný zdroj, M je polostrieborné zrkadlo fungujúce ako rozdeľovač lúčov a C je bod na M, ktorý je čiastočne reflexný. Keď lúč S zasiahne bod na M, rozdelí sa na dva lúče. Jeden lúč sa odráža smerom k A a druhý je prenášaný cez povrch M do bodu B. A a B sú body na vysoko leštených zrkadlách M 1 a M 2. Keď lúče zasiahnu tieto body, odrazia sa späť do bodu C, kde sa rekombinujú a vytvárajú interferenčný obrazec. V bode E sa dostane do pohľadu pozorovateľa.

Michelsonov diagram interferometra zobrazujúci dráhu svetelných vĺn

Aplikácie

Michelsonov interferometer sa používa na vyhľadávanie gravitačných vĺn. Aj hral hlavnú úlohu pri štúdiu hornej vrstvy atmosféry, určovaní teplôt a vetra meraním šírky Dopplera a posunov v spektrách luminiscencie a polárnej žiary.

Mnoho ľudí si však pamätá najznámejšiu aplikáciu - Michelsonov-Morleyho experiment. Išlo o neúspešný pokus demonštrovať vplyv hypotetického éterického vetra na rýchlosť obyčajného vetra. Toto inšpirovalo tvorbu špeciálna teória relativity.

Aplikácia javu interferencie.

Fenomén interferencie je spôsobený vlnovou povahou svetla; jeho kvantitatívne vzorce závisia od vlnovej dĺžky l 0 Preto sa tento jav používa na potvrdenie vlnovej povahy svetla a na meranie vlnových dĺžok (interferenčná spektroskopia).

Fenomén interferencie sa využíva aj na zlepšenie kvality optických prístrojov ( čistenie optiky) a získanie vysoko reflexných povlakov. Prechod svetla cez každý lomivý povrch šošovky, napríklad cez rozhranie sklo-vzduch, je sprevádzaný odrazom »4 % dopadajúceho toku (s indexom lomu skla »1,5). Keďže moderné šošovky obsahujú veľké množstvo šošoviek, počet odrazov v nich je veľký, a preto sú veľké aj straty svetelný tok. Dochádza tak k zoslabeniu intenzity prechádzajúceho svetla a zníženiu clonového pomeru optického zariadenia. Navyše odrazy od povrchov šošoviek vedú k oslneniu, ktoré je často (napr vojenskej techniky) odkryje polohu zariadenia.

Na odstránenie týchto nedostatkov sa používa tzv osveta optiky. Na tento účel sa na voľné povrchy šošoviek nanesú tenké filmy s indexom lomu nižším ako má materiál šošoviek.

Fenomén interferencie sa využíva aj vo veľmi presných meracích prístrojoch nazývaných interferometre. Všetky interferometre sú založené na rovnakom princípe a líšia sa len dizajnom.

Ruský fyzik V.P Linnik (1889-1984) použil na vytvorenie princíp činnosti Michelsonovho interferometra mikrointerferometer(kombinácia interferometra a mikroskopu), ktorý slúži na kontrolu čistoty povrchovej úpravy.

Interferometre sú veľmi citlivé optické prístroje, ktoré umožňujú určiť drobné zmeny indexu lomu priehľadných telies (plyny, kvapaliny a pevné látky) v závislosti od tlaku, teploty, nečistôt atď. Takéto interferometre sa nazývajú interferenčné refraktometre.

MICHAELSON INTERFEROMETER - dvojlúčový interferometer, optický ktorého obvod umožňuje rôzne typy rušenia, široko používané vo fyzike. výskum a rôzne tech. bude merať, prístroje na meranie dĺžok, posunov, na štúdium kvality optických vlákien. časti, systémy a pod.. Pomocou I.M. bola prvýkrát stanovená vlnová dĺžka svetla a Michelson. IM sa používa aj ako spektrálne zariadenie s vysokou clonou a vysokým rozlíšením, ktoré má množstvo ďalších výhod.

Pri hladkej zmene dráhy rozdielu rušivých lúčov o λ 0/2 interferenčný obrazec sa posunie natoľko, že maximá budú nahradené minimami. Preto sa využíva fenomén interferencie v interferometre na meranie dĺžky telies, vlnovej dĺžky svetla, zmien dĺžky telesa so zmenami teploty, porovnateľné s λ 0

IN Michelsonov interferometer monochromatický lúč zo zdroja S sa delí na priesvitná platňa P x dva lúče 1" A 2", ktorý sa odráža od zrkadiel M 1 a M 2, opäť s použitím P 1 sú spojené do jedného lúča, v ktorom sú lúče 1" A 2" vytvárajú interferenčný obrazec. Kompenzačná doska P 2 umiestnené v dráhe lúča 2, tak, že podobne ako lúč 1 prechádza doskou dvakrát. Výsledný interferenčný obrazec je mimoriadne citlivý na akúkoľvek zmenu rozdielu dráhy lúčov (napríklad na posunutie jedného zo zrkadiel).

Optické interferometre sa používajú na zmenu optických vlnových dĺžok, spektrálnych čiar, indexu lomu polarizačných médií, absolútnej a relatívnej dĺžky objektov, uhlových veľkostí hviezd na kontrolu kvality optických častí a ich povrchov.

Princíp fungovania:

Lúč svetla sa pomocou rôznych zariadení rozdelí na 2 alebo viac koherentných lúčov, ktoré prechádzajú rôznymi optickými dráhami, potom sa spájajú a pozoruje sa výsledok ich interferencie.

Typ interferenčného obrazca závisí od spôsobu rozdelenia svetelného lúča na koherentné lúče, od počtu rušivých lúčov, rozdielu optickej dráhy, relatívnej intenzity, veľkosti zdroja, spektrálne zloženie Sveta.

Optické interferometre možno rozdeliť podľa počtu lúčových interferometrov:

Dvojlúčový a viaclúčový.

Viaclúčové interferometre sa používajú ako spektrálne nástroje na štúdium spektrálneho zloženia svetla.

Na meranie fyzikálnych technických meraní možno použiť dvojité lúče.

Michelson: Paralelný lúč svetla zo zdroja prechádzajúci cez O1 dopadá na priesvitnú platňu P1 a je rozdelený na dva koherentné lúče.

Ďalej sa lúč 1 odráža od zrkadla M1, lúč 2 sa odráža od zrkadla M2. Nosník 2 opakovane prechádza doskou P1, 1 neprechádza. Oba lúče prechádzajú v smere AO cez šošovku O2 a interferujú v ohniskovej rovine clony D. Pozorovaný interferenčný obrazec zodpovedá interferencii vo vzduchovej vrstve tvorenej zrkadlom M2 a virtuálnym obrazom zrkadla M1 v doske. P1.

Hrúbka vzduchovej vrstvy l (rozdiel optickej dráhy = 2l).

Ak je zrkadlo M1 umiestnené tak, že M2 a virtuálny obraz M1 sú rovnobežné, potom interferenčný obrazec pozostáva z pásikov rovnakého sklonu lokalizovaných v ohniskovej rovine šošovky O2. A obrázok predstavuje sústredné krúžky.

Pásy s rovnakým sklonom sa vytvárajú, keď je priehľadná vrstva konštantnej hrúbky osvetlená neparalelným lúčom monochromatického žiarenia.

Ak M2 a obraz M1 tvoria vzduchový klin, potom sa objavia pruhy rovnakej hrúbky a javia sa ako rovnobežné čiary.

Jamin interferometer:

Určené na meranie indexov lomu v plynoch a kvapalinách Lúč monochromatického svetla S sa po odraze prednej a zadnej plochy sklenenej dosky P1 rozdelí na 2 lúče S1 a S2 V dráhe sú 2 kyvety K1 a K2 lúčov, cez ktoré sa lúče odrážajú od P2, je otočený vzhľadom na P1.

A padajú do ďalekohľadu T, kde zasahujú a vytvárajú rovné pruhy s rovnakým sklonom.

Ak je jedna z kyviet naplnená látkou s indexom lomu n1 a druhá s n2, potom posunutím interferenčného obrazca o počet prúžkov m v porovnaní s prípadom, keď sú obe kyvety naplnené (alebo nie) 2 je možné určiť n1 a n2, ktoré súvisia s Δn.

An = (m*A)/1. Relatívna chyba merania indexu lomu dosahuje 10 -8.

Fabry-Perot:

Pozostáva z dvoch rovnobežných dosiek P1 a P2, ktoré sú nanesené na povrchy dosiek, ktoré sú oproti sebe, zrkadlové s koeficientom odrazu 0,85 až 0,98 zo zrkadiel, získava veľké množstvo paralelné koherentné lúče s konštantným rozdielom dráh medzi susednými lúčmi.

h- Vzdialenosť medzi zrkadlami, θ- uhol odrazu lúčov od zrkadiel

Intenzita týchto lúčov bude iná. V dôsledku viaclúčovej interferencie v ohniskovej rovine l šošovky O2 vzniká interferenčný obrazec, ktorý má tvar sústredných prstencov Poloha maximálnej interferencie je určená:

Δ=mλ, m – celé číslo

Ako zariadenie s vysokým rozlíšením sa používa Fabry-Perotov interferometer Rozlíšenie závisí od koeficientu odrazu zrkadiel, od vzdialenosti medzi zrkadlami a zvyšuje sa s ich zvyšovaním.

Minimálny rozlišovací interval vlnových dĺžok je 5 * 10 -5 nm Špeciálne schopnosti Fabryho-Perotovho interferometra sa využívajú na štúdium spektier v IR, viditeľnej a centimetrovej časti rozsahu vlnových dĺžok laserov, ktorých vyžarovacie médium sa nachádza medzi zrkadlami.

Ak predpokladáme, že EM rovinná vlna sa nachádza medzi zrkadlami a je k nim normálna, potom v dôsledku jej odrazu od zrkadiel vznikajú stojaté vlny a dochádza k rezonancii.

h je celé číslo polvln, m je index pozdĺžnej vibrácie alebo pozdĺžny režim.

Forma vlastných frekvencií optického rezonátora aritmetická progresia, čo sa rovná – c/2*h (krok)

Frekvenčný rozdiel medzi dvoma susednými pozdĺžnymi režimami laserového žiarenia závisí od vzdialenosti medzi zrkadlami dutín:

Posunutie jedného zo zrkadiel o Δf vedie k zmene rozdielovej frekvencie:

Δf=с* Δh/2h 2.

Dá sa merať pomocou fotodetektora.

Existuje mnoho typov interferenčných zariadení nazývaných interferometre. Na obr. Obrázok 123.1 ukazuje schému Michelsonovho interferometra. Lúč svetla zo zdroja 5 dopadá na priesvitnú dosku potiahnutú tenkou vrstvou striebra (táto vrstva je na obrázku znázornená bodkami). Polovica dopadajúceho svetelného toku je odrazená doskou v smere lúča 1, polovica prechádza doskou a šíri sa v smere lúča 2. Lúč 1 sa odráža od zrkadla a vracia sa tam, kde je rozdelený na dva lúče rovnakú intenzitu. Jeden z nich prechádza doskou a tvorí lúč 1, druhý sa odráža v smere S; tento balík nás už nebude zaujímať. Lúč 2 odrazený od zrkadla sa tiež vracia na platňu, kde je rozdelený na dve časti: lúč 2 odrazený od priesvitnej vrstvy a lúč prechádzajúci vrstvou, čo nás už tiež nebude zaujímať. Svetelné lúče 1 a 2 majú rovnakú intenzitu.

Ak sú splnené podmienky časovej a priestorovej koherencie, lúče 1 a 2 budú interferovať. Výsledok interferencie závisí od rozdielu optickej dráhy od dosky k zrkadlám a späť. Nosník 2 prechádza hrúbkou dosky trikrát, nosník 1 iba raz. Aby sa kompenzovali rôzne rozdiely v optických dráhach, ktoré tým vznikajú (v dôsledku disperzie) pre rôzne vlnové dĺžky, na dráhu lúča 1 sa umiestni platňa presne ako postriebrená platňa, ale nie postriebrená. Tým sa dráhy lúčov vyrovnajú. a 2 v pohári. Interferenčný obrazec sa pozoruje pomocou ďalekohľadu T.

Mentálne nahraďme zrkadlo jeho virtuálnym obrazom v priesvitnej doske. Potom môžeme považovať lúče 1 a 2 za vznikajúce odrazom od priehľadnej dosky ohraničenej rovinami. Pomocou nastavovacích skrutiek môžete zmeniť uhol medzi týmito rovinami, môžu byť inštalované striktne navzájom paralelne. Otáčaním mikrometrovej skrutky môžete zrkadlom plynulo pohybovať bez zmeny jeho sklonu.

Môžete teda zmeniť najmä hrúbku „dosky“, môžete dosiahnuť, aby sa roviny navzájom pretínali (obr. 123.1,6).

Povaha interferenčného obrazca závisí od orientácie zrkadiel a od divergencie svetelného lúča dopadajúceho na zariadenie. Ak je lúč rovnobežný a roviny zvierajú uhol, ktorý sa nerovná nule, potom sa v zornom poli potrubia pozorujú priamočiare pruhy rovnakej hrúbky, umiestnené rovnobežne s priesečníkom rovín. Pri bielom svetle budú zafarbené všetky pruhy okrem pruhu nultého rádu, ktorý sa zhoduje s priesečníkom. Nulový pás sa ukáže ako čierny, pretože lúč sa odráža od dosky zvonka a lúč 2 zvnútra, v dôsledku čoho medzi nimi vzniká fázový rozdiel rovný bielemu svetlu keď je hrúbka „dosky“ malá (pozri (122.5)). V monochromatickom svetle zodpovedajúcom červenej čiare kadmia Michelson pozoroval jasný interferenčný obrazec s dráhovým rozdielom rádovo 500 000 vlnových dĺžok (vzdialenosť medzi nimi je v tomto prípade približne 150 mm).

S mierne sa rozbiehajúcim lúčom svetla a striktne paralelným usporiadaním rovín a Mb. získajú sa pruhy s rovnakým sklonom, ktoré majú tvar sústredných krúžkov. Pri otáčaní mikrometrovej skrutky sa priemer krúžkov zväčšuje alebo zmenšuje. V tomto prípade sa v strede obrazu objavia buď nové krúžky, alebo sa zmenšujúce sa krúžky stiahnu do bodu a potom zmiznú. Posunutie vzoru o jeden prúžok zodpovedá posunutiu zrkadla na podlahovú dosku vlnovej dĺžky.

Pomocou vyššie opísaného zariadenia Michelson uskutočnil niekoľko experimentov, ktoré sa zapísali do dejín fyziky. Najznámejší z nich, uskutočnený spoločne s Morleym v roku 1887, mal za cieľ zistiť pohyb Zeme voči hypotetickému éteru (o tomto experimente si povieme v § 150). V rokoch 1890-1895 Pomocou interferometra, ktorý vynašiel, urobil Michelson prvé porovnanie vlnovej dĺžky červenej čiary kadmia s dĺžkou bežného metra.

V roku 1920 Michelson zostrojil hviezdny interferometer, pomocou ktorého meral uhlové veľkosti niektorých hviezd. Toto zariadenie bolo namontované na ďalekohľad. Pred objektív ďalekohľadu bola inštalovaná clona s dvoma štrbinami (obr. 123.2).

Svetlo z hviezdy sa odrážalo od symetrického systému zrkadiel namontovaných na pevnom ráme namontovanom na vozíku. Vnútorné zrkadlá boli nehybné, ale vonkajšie sa mohli pohybovať symetricky, vzďaľovať sa od zrkadiel alebo sa k nim približovať. Dráha lúčov je zrejmá z obrázku. V ohniskovej rovine šošovky ďalekohľadu sa objavili rušivé prúžky, ktorých viditeľnosť závisela od vzdialenosti vonkajších zrkadiel. Pohybom týchto zrkadiel Michelson určil vzdialenosť medzi nimi, pri ktorej sa viditeľnosť pruhov stala nulovou. Táto vzdialenosť musí byť v ráde koherentného polomeru svetelnej vlny prichádzajúcej z hviezdy. Podľa (120.14) je polomer koherencie rovný Z podmienky získame uhlový priemer hviezdy

Cieľ: oboznámenie sa s optickou konštrukciou a prevádzkou interferometra; stanovenie vlnovej dĺžky svetla, meranie malých deformácií.

Úvod

Keď sa pridajú dve koherentné svetelné vlny, intenzita svetla v určitom ľubovoľnom bode M bude závisieť od rozdielu fáz oscilácií prichádzajúcich do tohto bodu.

Nech v bode O vlna je rozdelená na dve súvislé vlny, ktoré sa v bode navzájom prekrývajú M. Fázový rozdiel v tomto bode koherentných vĺn závisí od času šírenia vĺn z bodu O k veci M. Pre prvú vlnu je tento čas rovnaký, pre druhú
, Kde ,- dráha a rýchlosť šírenia prvej vlny z bodu O k veci M; ,- pre druhú vlnu. Ako je známe,

,
, (1)

Kde s- rýchlosť svetla vo vákuu; n 1 a n 2 - indexy lomu prvého a druhého média.

Potom fázový rozdiel dvoch vĺn v bode M môžu byť zastúpené vo forme

, (2)

kde  je optický rozdiel medzi dráhami dvoch vĺn;
A
- optické dĺžky prvej a druhej vlny.

Zo vzorca (2) je zrejmé, že ak sa dráhový rozdiel rovná celému číslu vlnových dĺžok vo vákuu

,k= 0, 1, 2, (3)

potom sa fázový rozdiel ukáže ako násobok 2 a oscilácie excitované v bode M obe vlny sa vyskytnú s rovnakou fázou. Teda (3) je podmienkou pre interferenčné maximum.

Optické meracie prístroje založené na interferencii svetla sú tzv interferometre. V tejto práci je použitý Michelsonov interferometer, ktorého schematický diagram je na obr.1.

Jeho hlavnými prvkami sú: svetelný zdroj I, deliaca kocka K a dve zrkadlá - pohyblivé Z1 a pevné Z2. Lúč svetla zo zdroja I dopadá na kocku K, zlepenú z dvoch polovíc pozdĺž veľkej diagonálnej roviny. Ten hrá úlohu priesvitnej vrstvy, ktorá rozdeľuje pôvodný lúč na dva - 1 a 2. Po odraze od zrkadla a kombinácii dopadajú lúče 1 a 2 na tienidlo E, kde je pozorovaný interferenčný obrazec. Typ interferenčného obrazca je určený konfiguráciou vlnových plôch rušivých vĺn. Ak sú vlnové plochy ploché (zo zdroja vychádza kolimovaný lúč), potom sa na obrazovke objaví systém paralelne sa striedajúcich svetlých a tmavých pruhov (pozri § 2 ods. 2) a určí sa vzdialenosť medzi tmavými a svetlými pruhmi. vzťahom

, (4)

Kde - vlnová dĺžka svetla; - uhol medzi vlnovými vektormi A rušivé vlny.

Veľkosť uhla a preto možno šírku pruhov, vhodných na pozorovanie, nastaviť zmenou sklonu zrkadiel Z1 a Z2 a kocky K.

V prípade, že sú zložené vlny sférické (pozri § 6 ods. 2), interferenčný obrazec má tvar prstencov, pričom vzdialenosti medzi pásikmi sú tým väčšie, čím menej sa líšia polomery zakrivenia vlnových plôch.

Vzdialenosti od deliacej kocky k zrkadlám sa zvyčajne nazývajú ramená interferometra, ktoré sa vo všeobecnosti navzájom nerovnajú. Zdvojnásobený rozdiel v dĺžkach ramien je optický rozdiel v dráhe rušivých vĺn . Zmena dĺžky ľubovoľného ramena o určitú hodnotu vedie k zmene rozdielu optickej dráhy o a v súlade s tým k posunu interferenčného vzoru na obrazovke o jedno pásmo. Interferometer teda môže slúžiť ako citlivé zariadenie na meranie veľmi malých posunov.

Môžete zmeniť rozdiel optickej dráhy medzi dvoma lúčmi rôznymi spôsobmi. Môžete pohybovať jedným zo zrkadiel a rozdiel optickej dráhy sa zmení o dvojnásobok pohybu zrkadla. Dĺžku optickej dráhy jedného z lúčov môžete zmeniť zmenou indexu lomu média v určitej oblasti a zmena v dráhovom rozdiele rušivých lúčov sa bude rovnať dvojnásobku dĺžky optickej dráhy svetla v tejto oblasti. stredná. V práci boli použité metódy, ktoré umožňujú merať rôzne fyzikálne veličiny.

Sklenený tanier. V dráhe jedného z lúčov nechajte stáť sklenenú platňu hrúbky d s indexom lomu n. Pri otáčaní taniera pod uhlom z polohy kolmej na dopadajúci lúč svetla vzniká dodatočný rozdiel dráhy: