Презентация «Интерферометры и их применение» 11 класс

Интерферометры и их применение Учитель высшей квалификационной категории Медведева Лариса Александровна МАОУ «Лицей №7» г. Бердск

Интерферометр — измерительный прибор, принцип действия которого основан на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: 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 возвращается на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить смещение фаз пучков.

Разновидности

Интерферометров :

Звуковые

Электромагнитные

Оптические

Для радиоволн

Для ультрафиолетовых

волн

Для инфракрасных

волн

Над созданием интерферометров работали различные ученые: Майкельсон, Мах, Жамен Цендер, Рождественский,, Фабри-Перо, Рэлей, Физо и др.

Интерферометр Майкельсона — двухлучевой интерферометр, изобретённый Альбертом Майкельсоном. Данный прибор позволил впервые измерить длину волны света.

Конструктивно состоит из светоделительного зеркала, разделяющего входящий луч на два, которые в свою очередь, отражаются зеркалом обратно. На полупрозрачном зеркале разделённые лучи вновь направляются в одну сторону, чтобы, смешавшись на экране, образовать интерференционную картину. Анализируя её и изменяя длину одного плеча на известную величину, можно по изменению вида интерференционных полос измерить длину волны, либо, наоборот, если длина волны известна, можно определить неизвестное изменение длин плеч. Радиус когерентности изучаемого источника света или другого излучения определяет максимальную разность между плечами интерферометра.

Схема интерферометра Майкельсона

L-источник света

Р 1 -полупрозрачная пластинка

M 1 ,М 2 -зеркала

D-фокальная плоскость

l — расстояние между зеркалом M 2 и мнимым изображением M 1 ¢ зеркала M 1 в пластинке P 1 .

Интерферометр Майкельсона имеет две конфигурации:

1) Зеркала интерферометра установлены строго перпендикулярно друг другу

2) Зеркала интерферометра установлены не строго перпендикулярно друг другу

Интерференционная картина, полученная при помощи интерферометра c зеркалами под углом около 90°

Интерференция, полученная при помощи интерферометра со строго перпендикулярными зеркалами

Схема звёздного интерферо́метра Ма́йкельсона

  Если угловое расстояние между двумя звездами очень мало, в телескоп они видны как одна звезда. В таком случае говорят о двойных звездах и надо провести специальное наблюдение, чтобы отличить их от звезд одиночных. Для этого используется звездный интерферометр Майкельсона, который позволяет измерять угловые размеры  звёзд  и расстояния между  двойными звёздами , а также изучить распределение интенсивности свечения на их поверхности методом  интерференции .

3

Звёздный интерферометр в Маунт-Вилсон

• Первый звёздный интерферометр был построен в  обсерватории   Маунт-Вилсон  на базе  телескопа-рефлектора  с диаметром зеркала в 100  дюймов  (254 см). Отверстия в диафрагме находились на расстоянии 114 см, а максимальное расстояние между внешними зеркалами составляло 6,1 м. Между линзой и экраном были размещены оптические компенсаторы, так как интерференционные полосы в белом свете видны только вблизи нулевого порядка интерференции.
• Первой звездой, чей диаметр был измерен, стала  Бетельгейзе  (0,047  угловой секунды ).

Интерферометр Жамена

• В интерферометре Жамена свет проходит через две одинаковые плоскопараллельные  стеклянные  пластины толщиной не менее 20 мм. Они устанавливаются под углом в 45° к линии, которая соединяет их центры, и поворачиваются с помощью винтов относительно вертикальной и горизонтальной осей для изменения ширины интерференционных полос. При падении пучка света на первую пластину, он частично отражается от её внешней и внутренней поверхностей, расщепляясь на два луча. При этом расстояние между лучами зависит от толщины пластины.  Интерференция  возникает после отражения от второй пластины между лучами, каждый из которых испытал по одному отражению от разных поверхностей пластин.

• Основными недостатками интерферометра Жамена является сложность работы в  ультрафиолетовом диапазоне , требующая специальных пластин из  кварца  или  флюорита  и сложность изготовления одинаковых пластин толще 5 см. При этом толстые пластины очень медленно приходят в состояние теплового равновесия, нагреваясь во время эксперимента, и интерференционная картина при этом смещается.
• Недостатки интерферометра Жамена были позднее устранены в интерферометрах  Рождественского  и  Маха — Цендера . Сам интерферометр Жамена со временем был заменён  интерферометром Рэлея .

Интерферометр Маха -Цендера

.

Модификация интерферометра Жамена, двухлучевой интерферометр, применяемый для анализа плазмы и газовых потоков в дискретном исполнении (с помощью зеркал и линз) и в электрооптических модуляторах в объемном и планарном.

Интерферометр Рождественского

Отличия между интерферометрами Маха — Цендера и Рождественского состоит в том, что в первом из них попарно параллельно устанавливаются непрозрачные и прозрачные зеркала, а во втором - входное полупрозрачное с непрозрачным для отбитого луча и непрозрачное для прошедшего луча с выходным полупрозрачным.

Схема интерферометра Маха — Цендера

На входе интерферометра находится полупрозрачное зеркало, расщепляющее световой поток на два луча. Они сводятся вместе после отражения от двух непрозрачных зеркал в четвёртом зеркале. Зеркала интерферометра образуют параллелограмм. Для проведения исследований в одно из плеч интерферометра помещают ёмкость с исследуемым газом и компенсаторы

Схема интерферометра Рождественского

P 1 ,P 2 -полупрозрачные пластинки

M 1 ,M 2 -зеркала

S 1 ,S 2 -пучки

Интерферометр Фабри-Перо

Работа интерферометра основывается на многолучевой интерференции, позволяющей получать резкие интерференционные картины.

Высокая резкость интерференции позволяет использовать интерферометр Фабри-Перо как спектральный прибор высокой разрешающей способности. В стандартной конструкции интерферометра устанавливаются строго параллельно друг другу две хорошо отполированные стеклянные или кварцевые пластинки, на внутренние поверхности которых нанесены отражающие слои.

Интерференционная картина, создаваемая интерферометром Фабри-Перо, представляет собой систему колец.

Интерферометр Фабри-Перо предназначен для исследования тонкой структуры спектра оптического излучения., является основным прибором для проведения метрологических измерений – определения эталонов длины и частоты.

Схема многолучевого интерферометра Фабри — Перо

P 1 ,P 2 -стеклянные пластинки

L-фокальная плоскость

O 1 ,O 2 -объективы

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. Впервые был предложен лордом Рэлеем в 1886 году. Использовался для определения показателей преломления газов.

Свет от источника пропускается через линзу, создающую параллельный пучок и апертуры, вырезающие из него 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.

Ультразвуковой интерферометр

Ультразвуковой интерферометр – прибор для измерения фазовой скорости и коэффициента поглощения, принцип действия которого основан на интерференции акустических волн.

Применение интерферометров:

• Интерферометры применяются в станкостроении и  машиностроении , для оценки качества оптических поверхностей и проверки  оптических систем  в целом. С их помощью выполняются:
• Измерение длин волн спектральных линий
• Изучение их структуры
• Измерение неоднородностей показателя преломления прозрачных сред
• Измерение угловых размеров звёзд
• Измерение скорости света
• Определение качества шлифовки поверхностей
• Измерение показателей преломления газов

Спасибо за внимание!