1.6. Метод двухдлинноволновой интерферометрии

В основе метода двухдлинноволновой интерферометрии лежит использование так называемой синтезированной длины волны , которая представляет собой комбинацию двух различных длин волн (₁ и ₂) излучения оптического диапазона спектра, связанных между собой следующим соотношением

1/=1/₁ –1/₂.

Использование в интерферометре излучения с двумя разными длинами волн ₁ и ₂ позволяет получить две различные интерференционные картины. В результате переналожения этих картин образуется система муаровых полос, которая эквивалентна системе интерференционных полос, которые возникли бы в том случае, если бы интерферометр работал на одной длине волны .

Такой подход позволяет изменять чувствительность измерительной системы в широких пределах и может быть полезен, в частности, для абсолютных измерений длины (например, длины базы, т.е. расстояния между зеркалами, в крупногабаритных интерферметрах). Дело в том, что при работе на синтезированной длине волны появляется возможность разбить процесс измерений на два этапа: на первом этапе определяется длина больших отрезков (например, десятки метров) с точностью в пределах , а затем проводятся измерения малого отрезка, но уже с субмикронной точностью, что часто требуется на практике.

1.7. Практические примеры

Лазерные стандарты длины и частоты. Наши знания об окружающем мире приобретаются посредством измерений. Чем точнее измерения, тем полнее наши знания. Отсюда и стремление определить исходный эталон длины с очень большой точностью. Для того, чтобы оценить необходимость таких измерений, рассмотрим задачу о прецизионном определении важнейшей константы – скорости света в вакууме.

Опыты по определению скорости света ведутся уже более 300 лет и характеризуются совершенно особыми масштабами. Знание числового значения скорости света важно для всех разделов физики. Более того, она в значительной степени определяет метрику окружающего нас мира, а требование ее неизменности лежит в основе важнейших теорий естествознания. Первая оценка скорости света в вакууме базировалась на астрономических наблюдениях положения спутника Юпитера. Ремер предположил, что свет распространяется с конечной скоростью 3,1∙10¹⁰ см/с, что противоречило взглядам школы Декарта, согласно которым свет должен распространяться мгновенно. В XIX в. усилиями Физо, Фуко и других физиков были проведены тщательные измерения этой константы. В начале XX в, используя интерферометрический метод, Майкельсон определил скорость света с высокой точностью.

Прогресс лазерной техники позволил существенно повысить точность измерения скорости света в вакууме. При этом проводились независимые измерения длины волны и частоты (с=λν) специально стабилизированного Hе/Ne-лазера, генерирующего в инфракрасной области спектра (λ=3,39 мкм). Достижения в измерении частот и длин волн лазеров позволили определить скорость света с=299792458 м/с. Точность измерения ограничивается точностью первичного эталона длины – метра (за основную единицу длины в 1790г. принят метр – длина десятимиллионной части ¼ Земного меридиана, проходящего через Париж. В 1960 г. принято считать метром длину, равную 1650763,73 длины волны изотопа ⁸⁶Kr). Оказалось, что значения длин волн, полученные через измерение частоты и указанную скорость света, обладают меньшей погрешностью, чем та, которая достигается сличением с длиной волны ⁸⁶Kr. В 1983 г. 17-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: метр - это длина, проходимая светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Новое определение метра дало возможность по-новому взглянуть на то, что длина и частота не являются независимыми величинами. Частота измеряется с точностью, на несколько порядков превосходящей точность измерения длины, поэтому предложено фактически отказаться от стандарта длины, определяя длину через частоту. При этом появляется возможность существенно повысить точность измерения длины. Единый эталон явится стандартом частоты, излучение которого может быть использовано для измерения длины. Следующим шагом явится создание единого эталона единиц частоты, времени и длины.

Лазерные деформографы. Деформация земной коры происходит вследствие сейсмической активности, тектонических процессов, лунных приливов. Измерения указанных деформаций проводят деформографами. Наиболее распространенные из них представляют собой длиннобазовые интерферометры Майкельсона. В лазерных деформографах база доходит до 1 км. Чем больше база, тем выше чувствительность деформографа. Но при этом растут требования к стабильности оптического пути: стабильности температуры, давления, влажности, показателя преломления среды. Возникает необходимость герметизации оптического пути, его вакуумирования. Такие деформографы располагают обычно в штольнях, где без существенных затруднений в течение 12-24 часов, пока длится эксперимент, поддерживают стабильность температуры ~10^-2 градуса по всей базе интерферометра, а промышленные шумы отсутствуют. Длина интерферометра сократилась до 25 м благодаря введению оптической линии задержки, выполненной в виде двух зеркал с определенными параметрами.

В современных деформографах используется излучение стабилизированных Не/Nе и твердотельных лазеров, что позволяет обнаружить смещения земной коры с амплитудой 0,01-0,001 мкм.

Лазерные дилатометры. Измерения температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) тел также производят интерферометрами. Одним из отражателей интерферометра является торец исследуемого образца. При нагревании длина плеча интерферометра изменяется, что фиксируют традиционными способами. Возможен вариант, когда исследуемый образец служит основой для интерферометра Фабри-Перо. При удлинении образца меняются собственные частоты интерферометра. Перестраивая частоту излучения лазера по максимуму пропускания, определяют величину удлинения образца. Одна из проблем дилатометрии - увеличение длины образца, т.к. с длиной растет порог чувствительности. Обычно это 30 мм, а следует пользовать 100-150 мм.

Современные дилатометры позволяют измерять ТКЛР с погрешностью 10^-8-10^-9. Исследование с их помощью материалов с ТКЛР более 10^-6 нецелесообразно.