§ 20. Интерферометры

Интерференционная картина чрезвычайно чувствительна к величине разности хода интерферирующих колебаний. Достаточно измениться этой разности хода на весьма малую величину, порядка доли световой волны, чтобы можно было заметить существенное изменение интерференционной картины (перемещение полос). Майкельсон применил это свойство для весьма точного измерения длин.

Устройство, предложенное Майкельсоном (интерферометр Майкельсона), описано выше и изображено на рис. 62. Свет от источника падает на стеклянную пластинку покрытую полупрозрачным слоем серебра. Лучи одновременно отражаются к зеркалу 2 и проходят насквозь к зеркалу 1. После отражения от обоих зеркал свет возвращается к пластинке причем луч, идущий от зеркала 2, попадает в глаз пройдя сквозь пластинку, а луч от зеркала -отразившись от нее. В результате интерференции появляются

темные полосы. Достаточно сдвинуть одно из зеркал в направлении луча, например, на полволны, чтобы интерференционная картина на экране сдвинулась на целую полосу. Оказывается возможным регистрировать смещение зеркал даже на десятые доли длины волны, что составляет примерно Продвигая зеркало 1 вдоль измеряемого объекта и считая полосы, проходящие в поле зрения прибора, можно измерять длины в долях световой волны. Произведенные таким образом измерения международного эталона метра показали, что он равен 1650763,73 длины волны оранжевой линии криптона.

Рис. 62. Интерферометр Майкельсона.

Рис. 63. Схема опыта Горелика.

Следует отметить, что точность таких измерений чрезвычайно велика: она составляет измеряемой величины.

Интерферометр может быть использован для исследования колебаний мембран или пластин. Для этого надо изучаемую пластинку сделать отражающей свет и поместить в интерферометр вместо одного из зеркал. Тогда интерференционные полосы будут колебаться в такт с колебаниями тела. Г. С. Горелик в 1952 г. применил принципиально новый, обладающий поразительной чувствительностью метод для регистрации этих колебаний.

Изображение одной из интерференционных полос падает на узкую щель, за которой помещается фотоэлемент. Величина фототока, очевидно, зависит от расположения полосы по отношению к щели (рис. 63), максимуму яркости соответствует максимум тока. При колебаниях полосы возникают колебания тока. Чем меньше амплитуда колебаний пластинки, тем меньше амплитуда колебаний тока. При очень малых амплитудах начинают вредно сказываться случайные колебания яркости источника света. Г. С. Горелик обошел это затруднение, применив для усиления фототоков узкополосный усилитель, настроенный на частоту колебаний исследуемого тела. Усилитель отфильтровывает случайные колебания фототока, и в

результате удается уверенно регистрировать колебания мембраны с амплитудой, равной 1 А.

Майкельсон применил свой интерферометр для знаменитого опыта по определению эфирного «ветра». В этом опыте, как указывалось выше (§ 4), зеркала были неподвижны и по смещению полос можно было судить о соотношении скоростей света на пути до зеркала и до зеркала 2 (рис. 62).

Рис. 64. Микроинтерферометр Линника

В. П. Линник чрезвычайно остроумно видоизменил интерферометр Майкельсона, приспособив его для микроскопического исследования поверхностей. На рис. 64 изображен разрез микроинтерферометра Линника. Нетрудно видеть, что это упрощенный интерферометр Майкельеона, чрезвычайно уменьшенный и помещающийся в объективе микроскопа. Луч от источника света входит в окно и попадает в стеклянный куб заменяющий полупосеребренную пластинку Майкельсона. Этот куб по диагонали склеен и имеет полупосеребренную прокладку. От прокладки часть света отражается вниз, через объектив попадает на исследуемую поверхность опять пройдя прокладку, идет вверх к окуляру микроскопа. Другая часть луча, прошедшая сразу сквозь прокладку к линзе отражается от зеркала возвращается обратно, частично отражается от прокладки и тоже идет вверх к окуляру.

Таким образом, зеркало 5 и поверхность соответствуют зеркалам 1 и 2 в интерферометре Майкельсона. В окуляре микроскопа мы наблюдаем интерференцию двух пришедших колебаний. Всякое смещение поверхности сказывается на интерференционной картине. В частности, наличие каких-либо борозд сейчас же даст искривление интерференционных полос. При этом форма интерференционной полосы даст сечение борозды и тем самым позволяет определить ее глубину (рис. 65).

Если на пути одного из интерферирующих лучей поставить стеклянную пластинку, то интерференционная картина существенно меняется, хотя геометрический путь лучей остается прежним. Это происходит потому, что для интерференции важна, как мы уже говорили,

не геометрическая разность хода лучей 60, а оптическая разность хода где показатель преломления среды. В связи с этим явление интерференции может быть использовано для измерения показателей преломления, весьма близких к единице.

Рис. 65. Вид поверхности металла.

Для таких измерений иногда применяют интерферометр Жамена (рис. 66), в котором два пучка пространственно разделены. Свет от источника отражается от двух толстых стеклянных зеркал При этом лучи света раздваиваются в благодаря одновременному отражению от поверхности стекла а, и от посеребренной грани В зеркале происходит аналогичное явление. В результате лучи выходят из параллельными. Когерентные лучи, выходящие из зеркала интерферируют. Вставляя на пути одного из лучей испытуемое вещество можно по смещению интерференционных полос, измеряемых микрометром в окуляре О, определить показатель преломления вещества

Рис. 66. Схема интерферометра Жамена.

Интерферометр Жамена нашел очень важное применение в работах Д. С. Рождественского по исследованию аномальной дисперсии (§ 43).

Интерферометры для анализа газов (рис. 67) построены по принципу Релея. Свет, проходящий через щель и через объектив О, разделяется на два параллельных пучка щелями С. На пути лучей помещены трубки из которых одна наполнена исследуемым газом или жидкостью, другая — известным, взятым для сравнения, веществом. Различие показателей преломления веществ вызывает смещение полос, получающихся вследствие интерференции обоих световых пучков. Измерение смещения полос позволяет определять относительный показатель преломления.

Рис. 67. Схема интерферометра Релея

Интерференционные полосы настолько чувствительны к изменениям показателя преломления, что с помощью их можно, например, сфотографировать воздушные волны, которые возникают при полете пули. Эти волны являются местными сгущениями и разрежениями воздуха и, следовательно, обладают показателем преломления, несколько отличным от окружающей среды.