§ 135. Практические применения интерференции

Интерференционные методы широко применяются для измерения малых расстояний или малых изменений расстояний. Они позволяют заметить изменения толщины, меньшие сотых долей длины световой волны. В интерференционных измерениях неровностей на поверхности кристалла удается достигнуть точности порядка см.

Многочисленные применения основаны на использовании метода кривых равной толщины. Широко распространен этот метод в оптической промышленности. Если, скажем, нужно проверить качество поверхности стеклянной пластинки, то это делается рассмотрением полос равной толщины воздушного клина, создаваемого испытуемой пластинкой и эталонной пластинкой с идеально плоской поверхностью. Если прижать эти две пластинки с одного края, то образуется воздушный клин. Если обе поверхности плоские, то линии равной толщины будут параллельными прямыми.

Представим себе, что на испытуемой пластинке имеется впадина или бугор. Тогда линии равной толщины искривятся и будут обходить дефектное место.

Рис. 149.

При изменении угла падения света полосы движутся в ту или другую сторону в зависимости от того, бугром или впадиной является дефект. На рис. 149 показано, как выглядит поле микроскопа в этих случаях. Первые два рисунка соответствуют дефектным образцам. У первого дефект расположен справа у самого края, а у второго — слева. Третий рисунок соответствует образцу без дефектов.

Тот же метод может быть применен для весьма точного измерения коэффициента расширения. Для этой цели надо создать воздушный зазор между поверхностью исследуемого объекта и неизменной плоскостью. Если объект будет расширяться, то толщина слоя начнет меняться. Полосы равной толщины придут в движение. Если одна полоса сдвинулась, а ее место заняла следующая, то толщина воздушной прослойки в этом месте изменилась на

Если, как это и делают обычно, вести измерения в монохроматическом свете, то полосы видны очень резко и смещение полосы на сотую долю расстояния между полосами может быть измерено.

Рис. 150.

Точные измерения показателя преломления вещества могут быть проделаны с помощью интерференционных рефрактометров. В этих приборах наблюдается интерференция между двумя световыми лучами, которые по возможности отдалены друг от друга (рис. 150). Для этого берется достаточно толстая пластинка и подбирается выгодный угол падения (для обычного стекла наиболее выгоден угол порядка 50°). Лучи, идущие между пластинками, разобщены, и на пути одного из них можно поместить испытуемое вещество. Этим меняется оптический путь одного из лучей, а значит, и разность путей лучей, интерферирующих на выходе. Если пластинки интерферометра в точности одинаковы и установлены идеально параллельно, то оба интерферирующих луча имеют одинаковый путь и усиливают друг друга. При наклоне пластинок создается разность хода и поле зрения будет менять свою яркость.

Такая картина имеет место для идеально параллельного пучка лучей. Если же на пластинку падает слегка расходящийся пучок, то в поле зрительной трубы возникнет система полос равного наклона. В этом случае изменения в оптической разности хода удобно определять, считая проходящие мимо креста нитей интерференционные полосы.

Положим, что на пути одного из лучей установлено тело длиной I и с коэффициентом преломления Если коэффициент преломления среды есть оптическая разность хода изменится При этом через окуляр трубы должно пройти полос. Нетрудно оценить точность этого метода, если указать, что смещение в 0,1 полосы улавливается без труда. При таком смещении см, что на длине см позволит зафиксировать изменение коэффициента преломления на

Рис. 151.

Для точных измерений длин, а также для определения скорости света (см. также стр. 379) применяется получивший особую известность интерферометр Майкельсона (рис. 151). В этом приборе параллельный пучок монохроматическрго света падает на плоскопараллельную стеклянную пластинку, покрытую с одной стороны полупрозрачным слоем серебра. Эта пластинка поставлена под углом 45° к падающему от источника лучу и делит его на два, один из которых идет параллельно падающему лучу (продолжает его), а другой — перпендикулярно (налево). Разделенные лучи падают на два зеркала под нулевыми углами падения и возвращаются в те самые места полупрозрачной пластинки, из которых они вышли. Каждый луч, вернувшийся от зеркала, повторно расщепляется на пластинке. Часть света возвращается в источник, а другая часть поступает направо в зрительную трубу. В результате в поле зрения трубы наблюдаются два когерентных интерферирующих луча. На рисунке видно, что после первого разделения на полупрозрачном слое луч, идущий от зеркала, стоящего напротив трубы, дважды проходит через стеклянную пластинку с полупрозрачным слоем. Поэтому для обеспечения равенства оптических путей луч, идущий от другого зеркала, пропускается через компенсационную пластинку, идентичную первой, нобез полупрозрачного слоя.

В трубу будут наблюдаться линии равного наклона (круговые кольца), соответствующие интерференции в воздушной пластинке,

толщина которой равна разности расстояний зеркал от полупрозрачного слоя. Перемещение одного из зеркал на четверть длины волны будет соответствовать переходу от максимума к минимуму, т. е. вызовет смещение картины на полкольца. Это может быть отчетливо отмечено наблюдателем. Таким образом, в фиолетовых лучах чувствительность интерферометра больше чем микрона.

Интересным применением интерферометра Майкельсона является микроинтерферометр, разработанный советским физиком В. П. Линником. Принцип его схемы состоит в том, что одно из зеркал интерферометра заменено исследуемым объектом. В плоскости изображения наблюдаются линии равной толщины. Детали размером 0,1 микрона дадут четкий переход от максимальной освещенности к минимальной Микроинтерферометр обычно вйполняется в виде приставки к обычному микроскопу и ввинчивается в тубус микроскопа вместо объектива. Большое значение для науки имеют интерференционные микроскопы, близкие по идее к микроинтерферометру (в микроскопе интерференция осуществляется не в плоскости изображения, а передобычным объективом, т. е. интерференционное изображение имеет те же размеры, что и микрообъект). Выигрыша в увеличении двухлучевой интерференционный микроскоп не дает. Значение этого метода в другом. Среди объектов микроскопического исследования чрезвычайно часто встречаются либо почти совершенно прозрачные, либо с мало меняющейся по площади прозрачностью. Сделать видимыми детали таких объектов было возможно лишь путем их искусственного окрашивания: различные структурные элементы, вообще говоря, по-разному воспринимают окраску. Но окрашивание мало применимо при изучении живых микроорганизмов. Возможности интерференционной микроскопа иллюстрирует рис. 152, на котором изображена с увеличением в 300 раз микрофотография крови лягушки.

Рис. 152.

К недостаткам метода относятся большие потери света в интерференционном устройстве и серьезное усложнение оптической системы микроскопа.

Дальнейшее повышение чувствительности интерференционных методов и, следовательно, дальнейшие успехи интерференционной микроскопии возможны при переходедрг двухлучевых интерферометров к многолучевым. Дело в том, что в двухлучевых интерферометрах освещенность экрана меняется пропорционально

множителю где смещение вдоль экрана. Вследствие плавности перехода от максимума освещенности к минимуму малое смещение интерференционных полос с уверенностью регистрировать не удается. Многолучевые интерферометры существенно улучшают положение. В качестве примера многолучевого интерферометра рассмотрим интерферометр Фабри — Перо.

Интерферометр Фабри — Перо (рис. 153) состоит из двух довольно толстых стеклянных или кварцевых пластин, каждая из которых покрыта полупрозрачным слоем серебра.

Рис. 153.

Пластины обращены металлизированными поверхностями друг к другу; эти поверхности строго параллельны. Зазор между пластинами заполнен воздухом. При падении на интерферометр пучка света этот пучок, попадая на каждое из полупрозрачных покрытий, раздваивается на проходящий и отраженный. В результате как в проходящем, так и в отраженном свете получается набор когерентных световых пучков, интенсивности которых убывают по геометрической прогрессии (см. стр. 319), а фазы сдвигаются по арифметической прогрессии. Чтобы обеспечить возможность интерференции большого числа лучей, необходимо добиться малого убывания амплитуды при последовательных отражениях. Это достигается тем, что металлическое покрытие на пластинках имеет коэффициент отражения 0,9 или больше. Тогда интенсивности лучей в проходящем свете будут весьма невелики, но зато они будут мало меняться от луча к лучу, что позволяет большому числу лучей участвовать в создании каждого максимума освещенности.

Интерференционная картина получается виде обычных колец равного наклона, но с одним очень важным изменением: главные максимумы, определяемые условием теперь резко сужаются, причем их интенсивности в десятки раз превышают интенсивность фона между ними. Поэтому интерференционная картина приобретает вид весьма узких светлых полос, разделенных широкими темйьтми промежутками. Смещение такого узкого максимума может быть зафиксировано с гораздо большей точностью, чем смещение полосы в двухлучевом интерферометре. Аналогичное сужение максимумов происходит и при увеличении числа щелей дифракционной решетки.

Таким образом, многолучевые приборы резко повышают чувствительность интерференционных методов. Такие системы оказываются незаменимыми при исследовании в отраженном свете вертикальной структуры поверхности объекта. Увеличение детали по вертикали может достигнуть что позволяет уверенно разрешать подробности с размерами порядка 5—10 А. Это — несколько межатомных расстояний! Примером такой фотографии служит снимок спирального роста кристалла, приведенный на стр. 614.

В настоящее время интерферометры, работающие на естественных источниках света, заменяются интерферометрами, использующими лазеры. Достоинства совершенно очевидны — это не идущая ни в какое сравнение мощность света, строгая монохроматичность, идеальная параллельность пучка света и неограниченная когерентная длина.

С помощью лазеров можно проделывать измерения на -дюймовом телескопе с интерферометром, у которого одно плечо имеет длину десятка метров, а другое — единицы сантиметров.

Интерферометры, используемые для контроля сферичности линз, могут быть изготовлены с одной-единственной поверхностью сравнения, в то время как, используя обычный свет, с изменением радиуса испытываемой линзы приходилось менять и эталон сравнения (так как нельзя было работать с большими разностями хода). Мы уже не говорим о том, что интерференционные картины стали несравненно ярче, а поэтому анализируются легко и более точно.

Возможность обходиться без компенсации оптического пути одного из лучей позволяет изготовлять интерферометры совершенно нового типа. Становится возможным следить за смещениями плотин, геологическим дрейфом, колебаниями земной коры.

Было известно и ранее, что, измеряя быстроту движения интерференционных колец, можно измерять скорость движения одного из интерференционных зеркал благодаря эффекту Доплера (см. стр. 112). С помощью лазерного света, отражая его от объектов, находящихся на большом расстоянии, и заставляя отраженный свет интерферировать с исходным, можно производить точные измерения скорости движения далекой мишени.