Интерферометры и их применение. Понятие об интерференционном микроскопе

Интерференцию света используют в специальных приборах — интерферометрах — для измерения с высокой степенью точности длин волн, небольших расстояний, показателей преломления веществ и определения качества оптических поверхностей.

На рис. 19.7 изображена принципиальная схема интерферо метра Майкельсона, который относится к группе двухлучевых, так как световая волна в нем раздваивается и обе ее части, пройдя разный путь, интерферируют.

Луч 7 монохроматического света от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную стеклянную пластинку А, задняя поверхность которой полупрозрачна, так как покрыта очень тонким слоем серебра. В точке О этот луч расщепляется на два луча 2 и 3, интенсивность которых приблизительно одинакова.

Луч 2 доходит до зеркала I, отражается, преломляется в пластине А и частично выходит из пластины — луч 2'. Луч 3 из точки О идет к зеркалу II, отражается, возвращается к пластине А, где частично отражается, — луч 3¢. Лучи 2' и 3', попадающие в глаз наблюдателя, когерентны, их интерференция может быть зарегистрирована.

Обычно зеркала I к II располагают так, что лучи 2 и 3 от расхождения до встречи проходят пути одинаковой длины. Чтобы и оптическую длину путей сделать одинаковой, на пути луча 3 устанавливают прозрачную пластину В, аналогичную А, для компенсации двух путей, пройденных лучом 2 через пластину А. В этом случае наблюдается максимум интерференции.

Если одно из зеркал сдвинуть на расстояние l/4, то разность хода лучей станет l/2, что соответствует минимуму, произойдет смещение интерференционной картины на 0,5 полосы².

Если зеркало от первоначального положения переместить на расстояние А./2, то оптическая разность хода интерферирующих лучей изменится на А., что соответствует максимуму, произойдет смещение интерференционной картины на целую полосу. Такая связь между перемещением зеркала и изменением интерференционной картины позволяет измерять длину волны по перемещению зеркала и, наоборот, перемещение по длине волны.

Интерферометр Майкельсона применяют для измерения показателя преломления. На пути лучей 2 и 3 устанавливают одинаковые кюветы К (показаны штриховыми линиями на рис. 19.7), одна из которых наполнена веществом с показателем преломления п₁,а другая — с п₂. Оптическая разность хода лучей

d = 2ln_l - 21п₂ = 21(п₁ - п₂), (19.23)

где l — длина однократного пути луча в среде, заполняющей кюветы; так как лучи проходят кювету дважды, то расстояние равно 2l. Предположим, что вследствие этой разности хода интерференционная картина смещается на k полос, тогда

d = kl. ( 19.24)

Приравнивая (19.23) и (19.24), получаем

Dn = n₁ – n₂ = k l(2l). (19.25)

Если считать, что смещение на 0,1 полосы (k = 0,1) может быть зафиксировано, то, например, при l = 2,5 см, l. = 500 нм имеем

Как видно, интерференционный рефрактометр (интерферометр, приспособленный для измерения показателя преломления) способен фиксировать изменения показателя преломления в шестом знаке после запятой.

Интерференционный рефрактометр применяют, в частности, с санитарно-гигиеническими целями для определения содержания вредных газов.

С использованием интерферометра Майкельсон доказал независимость скорости света от движения Земли, что явилось одним из опытных фактов, способствовавших созданию специальной теории относительности.

Сочетание двухлучевого интерферометра и микроскопа, получившее название интерференционного микроскопа, используют в биологии для измерения показателя преломления, концентрации сухого вещества и толщины прозрачных микрообъектов.

Принципиальная схема интерференционного микроскопа показана на рис. 19.8. Луч света, как и в интерферометре, в точке А раздваивается, один луч проходит через прозрачный микрообъект М, а другой — вне его. В точке Д лучи соединяются и интерферируют, по результату интерференции судят об измеряемом параметре.