1.8.3. Звездный интерферометр Майкельсона

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 к тому же определить угловое расстояние между звездами.

Устройство звездного интерферометра Майкельсона показано не рис. 1.8.5. Лучи света, пришедшего от удаленной звезды, отражается от зеркал, разнесенных на достаточно большое расстояние D, затем от двух других зеркал и собираются линзой на экране, помещенном в фокальной плоскости. Разнесенные на расстояние D зеркала можно рассматривать как точечные источники, расстояние между которыми и равно D.

D

 

линза

x 0 X

Рис. 1.8.5

Воспользуемся полученным ранее выражением для углового распределения максимумов излучения света

;

Иначе говоря,

.

На экране будут наблюдаться максимумы на расстояниях друг от друга.

Если наблюдаются две близкие звезды, лучи света от которых приходят под малым углом , то на экране будут наблюдаться две интерференционные картины, сдвинутые по отношению друг к другу на расстояние . Измерение углового расстояния  между звездами производится следующим образом.

При изменении величины D изменяется . Несложно догадаться, что при видимость интерференционной картины ухудшится или она вообще не будет наблюдаться. Это позволяет определить угловое расстояние между звездами:

; .

На рис. 1.8.6 показано именно такое взаимоположение интерференционных картин, интенсивность излучения одной из звезд несколько больше.

 E₀ 

0 

Рис. 1.8.6

При изменении расстояния между зеркалами изменяется величина .

Таким способом можно определить весьма малые угловые расстояния .

Схема интерферометра Майкельсона

У прощенная схема интерферометра Майкельсона приведена на рис. 1.8.7.

1.8.7. Схема интерферометра Майкельсона

Свет от источника S падает на пластинку P₁, задняя сторона которой покрыта тонким полупрозрачным слоем серебра или алюминия. Здесь пучок разделяется на два взаимно перпендикулярных пучка. Отраженный пластинкой P₁, пучок падает на зеркало M1, отражается назад, вновь попадает на пластинку P1, где снова разделяется на две части. Одна из них идет к источнику S и не представляет интереса, а другая попадает в зрительную трубу, установленную на бесконечность, или на линзу L, в фокальной плоскости F которой расположен экран для наблюдения интерференции. Прошедший сквозь пластинку P₁ пучок от источника падает на зеркало M₂, возвращается к P₁ и частично отражается в сторону линзы L. Таким образом, от одного источника S получаются два пучка примерно одинаковой интенсивности, которые распространяются после разделения пластинкой P1 в разных "плечах" интерферометра, затем снова встречаются и создают интерференционную картину в фокальной плоскости линзы L. Пластинка P₂, такая же, как и P₁, только без отражающего покрытия, ставится на пути второго пучка для компенсации разности хода, возникающей из-за того, что первый пучок проходит через P₁ три раза, а второй - только один раз. Зеркало M₂ неподвижно, а зеркало M₁ можно передвигать микрометрическим винтом так, что его плоскость все время остается перпендикулярной зеркалу M₂.

Построим изображение зеркала M₂, создаваемое отражающей поверхностью разделительной пластинки (M₂ на рис. 1.8.7). Оптическая длина пути от источника до точки наблюдения для луча, отразившегося от зеркала M2, будет такой же, как и для воображаемого луча, отразившегося от M₂. Поэтому можно считать, что интерференционная картина, наблюдаемая в фокальной плоскости линзы L, возникает из-за воздушного слоя между оторажающей поверхностью M₁ и мнимой отражающей поверхностью M₂. При параллельных поверхностях M₁ и M₂ полосы имеют вид концентрических окружностей с центром в фокусе линзы.

Если после разделительной пластинки P1 пучки имеют одинаковую интенсивность, то распределение интенсивности в фокальной плоскости описывается формулой, где разность хода , как и в случае плоскопараллельного воздушного слоя, в соответствии с (5.10) равна  = 2hcos. Разность хода при заданном расстоянии h между M1 и M2, т.е. при фиксированном положении подвижного зеркала, зависит только от угла  наклона луча по отношению к оптической оси. Данному значению  соответствует кольцо радиусом Ftg в фокальной плоскости линзы. Поэтому положение и размер светлых и темных колец не зависят от положения источника S, т.е. можно использовать протяженный источник. При этом получаются интерференционные полосы, локализованные в фокальной плоскости линзы L.

Центру интерференционной картины (=0) соответствует максимальная разность хода _max=2h, равная удвоенному расстоянию между M1 и M₂. Когда M₁ приближается к M2, кольца стягиваются по направлению к центру. Перемещение зеркала на расстояние m₀/2 вызывает смещение картины на m порядков. Визуально смещение можно оценить с точностью до ¹/₂₀ порядка, но существуют методы, позволяющие обнаружить смещения до 10^-3 порядка. По мере приближения M₁ к M₂ угловой масштаб картины возрастает до тех пор, пока M₁ не совпадет с M₂. При этом освещенность экрана (или поля зрения при визуальном наблюдении) становится равномерной.