2.6. Двухлучевые интерферометры

Явление интерференции лежит в основе устройств, которые называются интерферометрами. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. В точке схождения пучков наблюдаются интерференционные максимумы или минимумы. Форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, их оптической разности хода, спектрального состава света.

Интерферометры позволяют с высокой точностью измерять линейные и угловые размеры, показатели преломления веществ, исследовать структуру спектральных линий и т.д. В зависимости от назначения они отличаются конфигурацией.

Интерферометр Майкельсона. Рассмотрим подробно схему и принцип действия интерферометра Майкельсона – ученого, сыгравшего большую роль в истории науки.

В интерферометре Майкельсона (рис. 2.17) свет от источника  падает на полупрозрачную пластинку , расположенную под углом 45° к направлению распространения луча. На пластинке  он разделяется на две волны, распространяющиеся к зеркалам  и . После отражения от зеркал  и  волны распространяются в направлении трубы Т и могут интерферировать. Пластинка , тождественная с пластинкой , компенсирует разность хода, возникающую из-за того, что один пучок пересекает пластинку  три раза, а другой – только один раз. В результате разность хода лучей, распространяющихся строго вдоль оси интерферометра, определяется разностью длин плеч  и  (расстояний от  до  и ):

.

Возникающая при этом разность фаз . Здесь не учитывается изменение фаз при отражении от зеркал и пластин. Это можно сделать, но ничего нового в этом случае не наблюдается, так как вносимая при этом дополнительная разность хода кратна .

Распределение интенсивности зависит от разности фаз . Суммарная интенсивность максимальна, когда , то есть , , и равна нулю при  и .

Главная особенность интерферометра Майкельсона заключается в том, что, передвигая одно из зеркал с помощью винтов , можно непрерывно изменять разность хода, наблюдая при этом интерференционную картину. Если зеркала расположить под углом друг к другу (рис. 2.17б), то можно наблюдать полосы равной толщины.

Интерферометр Жамена. В интерферометре Жамена деление лучей происходит в толстых, не менее 20 мм, пластинах, изготовленных из однородного стекла или кварца (рис. 2.18). П ластины располагаются под углом 45° к направлению падающего луча. В результате отражения от передней и задней граней пластин  и  образуются четыре луча. Лучи 2 и 3 пространственно совмещены и могут интерферировать. Каждая пластина вносит разность хода . Поэтому разность хода лучей 2 и 3 равна , где  и  – углы преломления в пластинах  и . Разность хода тем больше, чем толще пластины. Если пластины установлены параллельно друг другу, то  – поле будет равномерно освещено. При юстировке одну из пластин немного наклоняют, поворачивая вокруг горизонтальной оси. Тогда углы  и  будут немного отличаться, и интерференционная картина представляет горизонтальные полосы равной толщины малых порядков, которые можно наблюдать в зрительную трубу, установленную на бесконечность. Пучки между пластинами пространственно разделены, что позволяет поместить на их пути кюветы длиной  с исследуемыми веществами. При этом оптическая разность хода лучей изменится на величину , что вызовет смещение интерференционной картины на m полос. Из условия  можно определить  с точностью до  и более.

Интерферометр Жамена труден в изготовлении, так как сложно получить однородные толстые пластины. Кроме того, толстые пластины медленно прогреваются, и интерференционная картина ползет часами. Трудно проводить исследования в ультрафиолетовой области, для нее требуются кварцевые пластины (обычное стекло поглощает ультрафиолетовое излучение), а они хрупкие.

От всех этих недостатков свободен интерферометр Рождественского.

И нтерферометр Рождественского. В интерферометре Рождественского роль делителей пучков играют полупрозрачные пластины  и зеркала  (рис. 2.19). Здесь пучки значительно пространственно разведены без использования толстых пластин, и можно легко ввести кюветы с исследуемым веществом. Таким образом, можно изучать физические процессы, которые ведут к изменению показателя преломления, например, при нагревании.