Интерферометр Жамена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский физико-технический институт

(национальный исследовательский университет)»

Реферат

на тему «Интерферометр Жамена»

Выполнила Корозникова Екатерина

Студент группы Б04 - 842

Город Долгопрудный

2020 год

Содержание

1. Интерферометр Жамена

2. Применение

3. Недостатки

1. Интерферометр Жамена

Интерферометрами называют оптические измерительные приборы, основанные на интерференции света. Они позволяют с высокой степенью точности измерять линейные и угловые расстояния, малые разности показателей преломления, исследовать структуру спектральных линий и т.п. Принцип действия интерферометров в основном один и тот же. Но в зависимости от предназначения им придают различные конструкции.

Интерферометр Жамена (1818-1886) состоит из двух толстых (толщина не менее 20 мм) плоскопараллельных пластин P1 и Р2) изготовленных из весьма однородного стекла и смонтированных на массивной плите (рис. 1).

Рис. 1 - Жюль Жамен

Рис. 2

Для исследований в далекой ультрафиолетовой области спектра пластины изготовляются из кварца или флюорита. Чтобы обе пластины имели строго одинаковую толщину, они вырезаются из одной и той же пластины. Пластины устанавливаются приблизительно под углом 45° к линии, соединяющей их центры. Угол между пластинами можно менять с помощью специальных установочных винтов, поворачивающих пластины вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Чем меньше этот угол, тем шире интерференционные полосы. Задние отражающие поверхности пластин посеребрены. Луч света SA, отразившись от передней и задней поверхностей пластины P1, разделяется на два параллельных луча АВ и C'D' между которыми возникает разность хода. Каждый из этих лучей в свою очередь раздваивается при отражении от пластины Р2. Между средними лучами DE и D'E' возникает разность хода

Д = 2dn(cosш2 - cos ш1), (1)

где d -- толщина пластин, ш1 и ш2 -- углы преломления в них,

n -- показатель преломления пластин относительно окружающего воздуха. Таким образом, на величину Д пластины влияют противоположно. Потери фаз при отражении в формулу (1) не входят, так как они одинаковы для обоих интерферирующих лучей и компенсируют друг друга. Если ш1 = ш2 то Д = 0. Если же угол между пластинами мал, то и разность хода невелика. Это позволяет наблюдать интерференцию низкого порядка, используя белый свет. Лучи DE и D'E' будут интерферировать так же, как и соответствующие лучи в случае только одной, но тонкой плоскопараллельной пластинки.

Назначение двух толстых пластин состоит в том, чтобы далеко развести лучи АВ и C'D', что позволяет ставить на пути этих лучей трубки с исследуемыми газами. Разность хода между средними и крайними лучами, а также между самими крайними лучами очень велика, и интерференцию в белом свете от этих лучей получить невозможно. Источником света обычно служит освещаемая вертикальная щель шириной около одного или нескольких миллиметров, прикрываемая матовым стеклом. Невооруженным глазом видны три изображения щели. Самое яркое (справа) дают лучи, дважды отразившиеся от задних посеребренных поверхностей пластин. Среднее, промежуточной яркости, образуется лучами DE и D'E'. Наименее яркое (слева) соответствует лучам, дважды отразившимся от передних поверхностей пластин. Если фиксировать глаз на среднем изображении и вращением установочных винтов менять разность хода, то в белом свете можно получить цветные интерференционные полосы низкого порядка. Центральная ахроматическая полоса, т.е. полоса, которой соответствует разность хода Д = 0, получается белой. Наблюдая эту полосу, можно легко следить за смещением интерференционной картины.

Так как разность хода Д зависит от направления падающих лучей, то в интерферометре Жамена получаются полосы равного наклона. Для их наблюдения удобно воспользоваться зрительной трубой небольшого увеличения, но большого поля зрения, установленной на бесконечность. Применение трубы не только увеличивает ширину полос, но и обладает еще тем преимуществом, что в трубу не попадают крайние лучи GH' и ВН, создающие светлый фон и сильно уменьшающие контрастность интерференционных полос. В лекционных демонстрациях интерференционные полосы можно получать без дополнительных оптических приспособлений, направив лучи DE и D'E' непосредственно на белый экран. Крайние лучи при этом должны быть экранированы.

2. Применение

Интерферометр Жамена предназначен для измерения небольших изменений показателей преломления. Поэтому его называют также интерференционным рефрактометром. Для уяснения принципа действия такого рефрактометра вообразим, что на пути одного из интерферирующих лучей АВ или C'D' (см. рис. 1) помещен плоскопараллельный слой какого-либо вещества толщины l с показателем преломления n2. Тогда разность хода между интерферирующими лучами изменится на величину (n2 -- n1)l, где n1 -- показатель преломления окружающего воздуха. В результате интерференционная картина сместится на m полос, причем

m = (n2 -- n1)l /л (2)

Число m (вообще говоря, дробное) можно найти, наблюдая интерференционные полосы в белом свете до и после внесения исследуемого вещества. Опыт показывает, что смещение на 1/10 полосы (m = 1/10) наблюдается вполне уверенно и без труда.

Разность показателей преломления можно вычислить по формуле

(n2 -- n1) = m л/l (3)

Если толщина слоя вещества l = 10 см, а л = 500 нм, то при m = 1/10 получаем (n2 -- n1) = 5·10-7 ~ 10-6.

В специальных установках измерялись гораздо меньшие изменения показателя преломления. Интерферометр Жамена позволяет, таким образом, измерять ничтожные изменения показателя преломления, например, при изменении температуры газа или при добавлении к нему посторонних примесей. Измерение самих абсолютных значений показателя преломления этим прибором затруднительно. Обычно его используют для измерения разности показателей преломления исследуемого и хорошо изученного газа, например, воздуха.

При практических измерениях на пути лучей АВ и С'D' ставятся по возможности одинаковые трубки. Сначала наблюдаются интерференционные полосы, когда обе трубки наполнены воздухом. Затем измеряется смещение полос интерференции, когда одна из трубок наполняется исследуемым газом. Для компенсации значительной разности хода между интерферирующими лучами служит компенсатор. Он состоит из двух совершенно одинаковых стеклянных пластинок, насаженных на общую ось, причем угол наклона между пластинками можно плавно менять. Одна из пластинок ставится на пути одного, вторая -- на пути другого лучей. Вращая компенсатор при неизменном угле наклона между пластинками, можно привести в поле зрения центральную ахроматическую полосу, а затем по углу поворота определить число полос, прошедших через поле зрения.

интерферометр жамен рождественский

3. Недостатки

Интерферометр Жамена обладает рядом недостатков, делающих его непригодным в некоторых особенно тонких оптических исследованиях. Изготовить пластины толще 5 см из вполне однородного стекла с точно параллельными плоскостями практически невозможно. Поэтому и интерферирующие лучи АВ и C'D' невозможно развести на расстояние больше ~4 см. Но главный недостаток интерферометра Жамена состоит в том, что толстые пластины при освещении медленно прогреваются и медленно приходят в состояние теплового равновесия. Это приводит к тому, что интерференционные полосы часами медленно ползут в поле зрения трубы. Крайне затруднена работа в ультрафиолетовой области, требующая уникальных пластин из кварца или флуорита. Указанные недостатки устранены в интерферометре Д.С. Рождественского (1876-- 1940).

Интерферометр Рождественского принципиально не отличается от интерферометра Жамена. Каждая пластина в нем заменена комбинацией из двух параллельно установленных тонких пластинок M1, Р1 и М2, Р2 (рис. 2). Пластинки М1 и М2 посеребрены и выполняют роль зеркал. Пластинки Р1 и Р2, также посеребренные, полупрозрачны, они пропускают половину падающего света, а остальную половину отражают. Комби­нация параллельных пластинок М2, Р2 может поворачиваться на малый угол относительно другой комбинации также параллельных пластинок M1, P1. Ход лучей в интерферометре показан на схе­матическом рис. 2. Прибор действует так же, как и интерферометр Жамена.

В нем наблюдаются интерференционные полосы равного наклона. Аналогично устроен построенный несколько раньше интерферометр Маха -- Цендера. Отличие от интерферометра Рождественского состоит в том, что параллельно устанавливаются между собой зеркала М1 и М2, а также полупрозрачные пластинки Р1 и Р2. Одна пара пластин может поворачиваться на малый угол относительно другой пары.

Рис. 2

Размещено на Allbest.ru