13.4.2. Интерферометры

Были сконструированы [43, 50, 163, 326, 342, 402] различные типы интерферометров, которые применялись для измерений в коротковолновой области диапазона СВЧ. Для измерений параметров диэлектрических пластин на частоте использовался [18] прибор, аналогичный оптическому интерферометру Маха — Цендера. В одно плечо волноводного моста включались два рупора, направленных друг на друга. Расстояние между ними можно было регулировать, что позволяло определять дополнительный фазовый набег, возникавший при внесении в воздушный зазор испытуемого образца. Такой метод свободен от температурных ограничений, и измерения можно проводить при температурах образца от —72 до . Применение стабилизированного генератора позволяет измерять фазу с точностью до 0,1 мрад. Для изучения спектра искровых генераторов использовался [86] интерферометр Больцмана. Работа этого прибора основана на интерференции отражений от двух металлических пластин. Излучение фокусируется с помощью параболоида в плоскопараллельный пучок и под некоторым углом падает на металлические пластины. Отраженная энергия принимается другим параболоидом и поступает в приемную систему. При смещении одной из пластин в направлении нормали к ее поверхности получается интерференционная картина.

На частоте был осуществлен интерферометр Фабри — Перо [243], в котором многократные отражения происходили между двумя полупрозрачными металлическими пленками. В аналогичном приборе [11] на частоте применялись одна полупрозрачная пластина из искусственного диэлектрика и металлическое зеркало, разнесенные на расстояние, при котором их взаимное облучение определялось первой зоной Френеля.

В изображенной на рис. 13.16, а установке Калшоу [68] в качестве зеркал использовано множество четвертьволновых листов

диэлектрика. Прибор работает с существенно параллельным пучком, и при изменении расстояния между зеркалами вместо круговой системы полос оптического интерферометра наблюдается только одна полоса. С помощью стабилизации частоты можно получить излучение с высокой степенью монохроматичности, и отдельные максимумы могут быть легко измерены.

На рис. 13.16, б показаны три типичных максимума, соответствующие различным расстояниям между зеркалами.

Рис. 13. 16. Интерферометр Фабри-Перо: а — принципиальная схема прибора, работающего на частоте 35 Ггц; б - сигналы для трех различных расстояний между рефлекторами. (См. [68].)

Расстояние между максимумами точно равно длине волны в свободном Расстояние пространстве, хотя при малых расстояниях между зеркалами дифракционные эффекты будут более заметны, что может привести к относительной ошибке порядка

Теория показывает [71], что отражательная способность ограничивается потерями в диэлектрике, и, хотя применялась искусственная среда, отражательная способность материалов, таких как плавленый кварц, может превосходить отражательную способность серебра. Можно определить добротность интерферометра как отношение длины волны к ширине максимума между точками половинной мощности; в табл. 13.1 даны значения для различных значений отражательной способности. Для описанного выше интерферометра значения величины где порядок интерференции, достигали Многослойные зеркала, обладающие высокой отражательной способностью и малыми потерями на передачу, делают прибор весьма чувствительным. Эти принципы

[72] оказалось возможным распространить до частот порядка и выше. В этом случае в качестве зеркала можно использовать серебряную пластину, множество небольших отверстий в которой делает ее полупрозрачной. При коэффициенте отражения по мощности порядка резонатор должен иметь добротность порядка 150 000. Для фокусировки можно использовать пластины изогнутой формы, например, в виде сферического биконического резонатора [329].

Таблица 13.1 Значения добротности для различных значений отражательной способности

Рис. 13. 17. Интерферометр Майкельсона для миллиметровых волн: а — общий вид; б - кривые для двух минимумов. (См. [67].)

Калшоу [67] использовал точный эквивалент оптического интерферометра Майкельсона. Как видно на рис. 13.17, а, электромагнитная энергия, излучаемая из рупора, попадает на расщепитель пучка. Он состоит из двух четвертьволновых пластинок диэлектрика с малыми потерями, разделенных воздушным зазором, который выбирается так, чтобы коэффициент отражения был равен 0,5. Прошедший пучок отражается от неподвижного зеркала, затем от расщепителя пучка и попадает в приемный рупор, соединенный с детектором. Отраженный пучок вновь отражается от подвижного плоского зеркала, проходит через расщепитель пучка и попадает в приемный рупор. Между отраженным и прошедшим пучками происходит интерференция, в результате чего при непрерывном

перемещении подвижного зеркала по направляющим ток через детектор периодически, через половину длины волны, обращается в нуль. Удалось измерить около сотни или даже более таких «минимумов», два из них изображены на рис. 13.17, б; отсюда можно определить длину волны в свободном пространстве. Изображенная на рис. 13.17, а установка предназначена для работы на частоте расщепитель пучка имел ширину 22,8 см, высоту 20 см, зеркала были квадратной формы со стороной 20,3 см, плоскостность зеркал выдерживалась с точностью не хуже 0,00127 см.

Рис. 13. 18. Интерферометр с одним волноводным плечом. В этой установке делитель пучка и постоянное плечо интерферометра находятся в волноводе. (См. [93].)

Были сконструированы другие разновидности интерферометра Майкельсона [128]. Ленжил [155] видоизменил первоначальную схему интерферометра, выполнив часть системы в виде волновода. Следующий шаг в этом направлении сделал Фрум [93], который помещал в волновод как расщепитель делитель пучка, так и постоянное плечо интерферометра. Эта установка изображена на рис. 13.18, из которого видно, что передача в свободном пространстве используется лишь в переменном плече, т. е. в плече с подвижным зеркалом. Напряженность излучения в постоянном плече выбирается так, чтобы уравновесить интенсивность пучка, отраженного от зеркала, что позволяет получить на выходе детектора очень резкие интерференционные минимумы. Мощность от клистрона, стабилизированного по частоте, поступает в гибридное соединение, которое является делителем пучка. Половина мощности попадает в передающий рупор, излучается и после отражения от удаленного подвижного зеркала попадает обратно в рупор. Другая половина мощности проходит через согласующую секцию, затем через переменный аттенюатор и, наконец, отражается от регулируемого короткозамыкающего поршня. Согласующая секция необходима для компенсации отражений в плече свободного пространства.

Измерения проводились при достаточно большом расстоянии между рупором и подвижным зеркалом, так чтобы их можно было считать точечными излучателями. Зеркало перемещалось примерно на расстояние 162 см, что на частоте 24 Ггц соответствовало прохождению через 259 минимумов. Из большого числа измерений, после учета ошибок, вызванных рядом дополнительных причин, было получено значение скорости света с относительной ошибкой не более

В дальнейшем Фрум [94] использовал симметричный четырехрупорный интерферометр, общая схема которого изображена на рис. 13.19.

Рис. 13. 19. Симметричный четырехрупорный интерферометр. (См. [94].)

За счет симметрии конструкции получается лучшая температурная стабильность; кроме того, если одно плечо длинее другого на то искажающие многократные отражения между передатчиком и соответствующими приемниками будут находиться в противофазе и компенсироваться. Фронты излучаемых волн можно приближенно считать сферическими с радиусами, равными расстояниям между передатчиком и соответствующим приемником, т. е. работа происходит в зоне дифракции Фраунгофера. Как обычно, мощность, поступающая от передатчика, делится в гибридном соединении и поступает в электромагнитные рупоры. Для регулирования формы и положения первого интерференционного минимума необходимы фазовращатель и переменный аттенюатор. Плоскость поляризации излучения в левом плече перпедикулярна плоскости поляризации в правом плече, что исключает взаимное влияние между плечами. При работе устройства каретка перемещается точно на при этом для получения резких минимумов производится уравнивание сигналов с помощью переменного аттенюатора, не вносящего дополнительного фазового набега. Была получена результирующая точность не хуже а устройство, работающее

на частоте с меньшими поправками на дифракцию, имело еще более высокую точность [96, 97].