Принципиальная схема интерферометра

Принципиальная схема интерферометра изображена на рис. 1. Пучок света от источника света И падает на полупрозрачную посеребренную светоразделительную пластинку П₁, где он расщепляется на два луча 1 и 2. Луч 1, продолжая и после прохождения через пластинку П₁ распространяться в прежнем направлении, падает на зеркало З₁. После отражения от этого зеркала и вторичного отражения от светоразделительной пластинки П₁ он распространяется по направлению наблюдения Н. Луч 2 после выхода из светоразделительной пластинки достигает зеркала З₂, отражается от него назад и через светоразделительную пластинку П₁ идет также по направлению наблюдения Н. (Роль пластинки П₂ будет разъяснена ниже.)

Легко видеть, что световые волны в лучах 1 и 2, распространяющиеся по направлению наблюдения Н, будут иметь между собой разность фаз, при условии, что оптические длины плеч интерферометра не равны друг другу. Плечами интерферометра принято называть расстояния от светоразделительной пластинки до зеркал прибора.

Широкое пространственное разделение плеч интерферометра Майкельсона делает его особенно удобным для создания разности фаз между лучами за счет введения в плечи прибора сред с различными показателями преломления.

Наличие двух когерентных лучей 1 и 2 определяет возможность получения интерференционной картины в приборе Майкельсона. Эту картину можно сфотографировать (или наблюдать глазом), если поместить объектив аппарата (глаз) на пути лучей, распространяющихся по направлению Н.

Заметим, что светоразделительная пластинка П₁, имеющая конечную толщину, сама вносит некоторую разность хода для световых волн в лучах 1 и 2, Луч 1, прежде чем пойти но направлению наблюдения, пересекает светоразделительнуо пластинку один раз, а луч 2 - три раза. Для компенсации этой разности хода на пути луча 1 вставлена компенсационная пластинка П₂, через которую этот луч пройдет два раза (рис. 1).

Существенной особенностью конструкции рассматриваемого интерферометра является возможность поступательно перемещать зеркало З₂, тем самым изменяя длину плеча, соответствующего этому зеркалу.

Перемещения зеркала З₂ изменяют разность хода интерферирующих лучей. С измерениями перемещений зеркала связаны все возможности применения интерферометра как оптического измерительного прибора. Этот интерферометр дает возможность производить прямые измерения длин световых волн по сдвигу подвижного зеркала. Поэтому механизм перемещения этого зеркала представляет собой главную механическую деталь всей конструкции прибора. Этот механизм должен обеспечивать такое перемещение зеркала, при котором отражающая поверхность зеркала остается все время параллельной самой себе.

Другое зеркало З₁ не может совершать поступательных перемещений, но зато имеются возможности изменять его наклон по отношению к зеркалу З₂. В частности, зеркало З₁ может быть ориентировано и строго перпендикулярно зеркалу З₂. Зеркало З₁ мы будем условно называть неподвижным зеркалом.

Легко видеть, что описанные две возможности управления зеркалами прибора обеспечивают условия для получения в интерферометре всех нужных случаев интерференции.

В самом деле, перемещения зеркала З₂ (при условии что это зеркало строго перпендикулярно зеркалу З₁) изменяют разность хода лучей 1 и 2, не изменяя их направлений. Это значит, что между зеркалами З₁ и З₂ фактически реализуется плоскопараллельный воздушный слой, толщина которого задается разностью длин плеч интерферометра. Этот слой удобно себе представить, построив изображение зеркала З₁ в светоразделительной пластинке П так, как это показано пунктиром (З₁) на рис. 2. С помощью такого слоя можно получать локализованные в бесконечности интерференционные картины так называемых полос равного наклона. Очевидно, что в этом случае на зеркала должен падать расходящийся пучок лучей, обеспечивающий широкий набор различных пространственных направлений интерферирующих лучей. Наблюдения интерференционной картины осуществляются в этом случае с помощью зрительной трубы (на рисунке не показана), наведенной на бесконечность.

Заметим, что поступательные перемещения зеркала З₂ позволяют использовать это зеркало и как компенсатор. Действительно, если в плечо зеркала З₁ введен материал с показателем преломления, отличным от показателя преломления воздуха, то удлинением плеча зеркала З₂ можно скомпенсировать возникшую разность хода интерферирующих лучей. В интерферометрах других конструкций (Жамена, Рождественского, Релея) компенсация возникшей разности хода осуществляется стеклянными пластинками.

Наконец, прямая связь разности хода световых пучков с геометрическими размерами прибора позволяет применить его и для решения обратной задачи: сравнения перемещений зеркала с длиной световой волны. Не входя здесь в подробности такой постановки вопроса, напомним, что эти соображения положены в основу создания стандартного метра, размер которого выражен через длину волны красной линии кадмия ¹⁾.

В другом случае наклон зеркала З₁ по отношению к зеркалу З₂ создает между отражающими поверхностями этих зеркал двугранный угол. Другими словами, между зеркалами образуется воздушный клин, толщина которого определяется наклоном зеркал и разностью длин плеч интерферометра в данных условиях (упоминаемый клин легко себе представить с помощью рис. 3) ²⁾. Клин позволяет реализовать условия, необходимые для наблюдения интерференционной картины полос равной толщины - в нашем случае полос, параллельных ребру клина. Эта картина локализуется на поверхности клина, т. е. на "поверхности зеркал" или вблизи них, в зависимости от толщины клина ³⁾. Для наблюдения полос равной толщины необходимо освещение его поверхностей пучком света, близким к параллельному. Наблюдение этой интерференционной картины осуществляется либо глазом, аккомодированным на поверхность клина, либо через оптическую систему, дающую слегка увеличенное изображение интерференционных полос.

Локальные (местные) искажения прямолинейной формы интерференционных полос от клина, очевидно, бывают связаны с дефектами поверхностей зеркал. Параллельные прямолинейные полосы могут быть получены только при достаточно плоских (до 1-20 длины световой волны) отражающих поверхностях зеркал.

В заключение сделанного общего обзора особенностей интерферометра Майкельсона сделаем еще краткое замечание относительно требований к источнику света, используемого в подобном приборе. В этом отношении рассматриваемый интерферометр не отличается от других интерференционных приборов. Как и в других случаях, интерференцию при большой разности хода можно наблюдать только с помощью источника монохроматического света, или, по крайней мере, с помощью источника света, имеющего линейчатый спектр с редкими и тонкими спектральными линиями. Источник белого света допускает лишь наблюдение нескольких интерференционных полос низкого порядка. Источник белого света, используемый со светофильтром, допускает наблюдение несколько большего числа интерференционных полос.

Во всех перечисленных случаях наблюдение полос равной толщины осуществить практически гораздо легче, чем полос равного наклона, требующих строгой перпендикулярности зеркал прибора.

Наладка этого прибора (как и всех других интерферометров) начинается всегда с источником линейчатого спектра. Только убедившись в том, что достигнута хорошая видимость полос интерференции самых низших порядков, имеет смысл искать интерференционную картину в белом свете. Такой переход не труден только в том случае, если он может совершаться последовательно, путем постепенного увеличения ширины спектрального интервала, выделяемого из сплошного спектра специальным монохроматором, устанавливаемым на входе прибора. Интерференционная картина должна доводиться до самых низких порядков (при максимальной контрастности) для каждого нового значения расширяемого рабочего интервала длин волн. Тогда можно планомерно найти нулевой порядок интерференции и, переключившись на весь сплошной спектр, увидеть соответствующую ему интерференционную картину. Бессистемные поиски картины в белом свете бывают всегда совершенно бесплодны. Последнее замечание имеет силу для всех видов интерферометров.

Точно так же и переход от наблюдения полос равной толщины к наблюдению полос равного наклона (колец) можно также совершить только путем планомерных действий.

Сразу заметим, что как подготовка к наблюдению полос равного наклона, так и сами наблюдения колец, выполняемые неизбежно при значительной разности хода, осуществляются только в свете ртутной лампы.

Получив четкую картину прямолинейных полос равной толщины, надо изменением наклона зеркала З₁ предельно расширять эти полосы, что будет соответствовать уменьшению угла клина и приближению зеркал к перпендикулярности (см. рис. 2). Только в том случае, когда все поле зрения заполнится одноцветной широкой интерференционной полосой, имеет смысл переходить к поискам полос равного наклона. Для этого надо заменить осветительную входную щель прибора матовым стеклом и перейти на наблюдения в зрительную трубу (о том, как это делается в данном приборе, сказано ниже).

Видимые в телескоп кольца могут быть расположены часто или редко, в зависимости от того, насколько толст воздушный плоскопараллельный слой, образованный зеркалами (см. рис. 2).

Очевидно, что для изменения диаметров колец надо поступательно перемещать зеркало З₂. При уменьшении толщины воздушного слоя диаметр каждого кольца будет уменьшаться. При увеличении толщины этого слоя - кольца будут расширяться. Изменение диаметров колец, без их деформации, возможно только при строго поступательных перемещениях подвижного зеркала. В противном случае кольца будут деформироваться в систему параллельных полое. Тогда после каждого существенного перемещения зеркала З₂ надо корректировать форму интерференционных колец легким изменением наклона зеркала ⁴⁾.