Измерения при помощи интерферометров
В целом ряде экспериментов интерференционные методы измерений позволяют получить весьма точные результаты очень простым путем, не предъявляя особых требований к искусству наблюдателя. Высокая точность результата становится возможной благодаря хорошей постановке опыта и точности в изготовлении приборов. В начальной стадии наблюдений обычно измеряют смещение в системе интерференционных полос-Из этого смещения определяют разность фаз между двумя интерферирующими пучками и затем рассчитывают изменение разности оптических путей, связанное или с механическим смещением, или с изменением показателя преломления.
Классификация по типам интерференции*
Различные интерферометры можно разделить на следующие две группы:
а) Приборы, в которых фронт волны разделяется на две или большее число частей. Это разделение может быть достигнуто или при помощи непрозрачного экрана с некоторым количеством отверстий в нем (как, например, в опыте Юнга, см. § 5.7), или при помощи призм или зеркал (как, например, в опытах Френеля, см. § 5.9).
б) Приборы, в которых разделение пучка света достигается применением полупрозрачных поверхностей. Часть света отражается, а часть проходит через такую поверхность. Затем оба эти пучка снова соединяются при помощи некоторой системы зеркал и призм и, будучи когерентными, интерферируют. Интерферометр Майкельсона является типичным прибором такого типа.
Зеркала могут применяться в интерферометрах обоих типов в качестве отражательных устройств. Типичная особенность интерферометров типа б) заключается в следующем: в этих приборах по крайней мере одно зеркало является полупрозрачным, что обеспечивает разделение первичного светового пучка; отраженный и прошедший пучки затем снова соединяются.
Возможен также совершенно другой принцип классификации интерферометров. Все ихгможно разделить на приборы, в которых используется интерференция двух пучков, и приборы, в которых интерферирует большее число световых пучков. Бипризма Френеля и интерферометр Рэлея относятся к приборам типа а), в которых используются два пучка. Эшелон тоже относится к приборам типа а), но в нем имеет место интерференция более чем двух пучков. Интерферометр Майкельсона относится к приборам типа б) с двумя интерферирующими пучками. Эталон Фабри-Перо и пластинка Люммера-Герка также относятся к приборам типа б), но в них используется большое число интерферирующих пучков.
В приборах типа а) получаются дифракционные полосы, и поэтому было бы правильно называть приборы этого типа «дифрактометрами». Дифракционная решетка тоже относится к таким приборам. На практике, однако, интерферометрами называют многие приборы как типа а), так и типа б). Это связано с тем, что методы изготовления и использования многих приборов обоих типов аналогичны. Поэтому они все называются интерферометрами; однако этот термин не применяется к дифракционной решетке, которая с чисто технической точки зрения может считаться диспергирующей системой, в какой-то степени родственной призме.
Классификация применений интерферометров
Наблюдения и измерения, проведенные при помощи интерферометров, можно разделить на пять основных типов:
- Геометрические измерения.
- Измерения показателей преломления.
- Измерения отношения длины световой волны, испускаемой стандартным источником света, к длине механического образца.
- Сравнение двух длин волн.
- Исследования, имеющие теоретическое значение.
К геометрическим измерениям относятся исследование оптических деталей, например линз и призм, сравнение механических калибров, применяемых в машиностроении, и измерение малых механических смещений. В исследования четвертого типа входят наблюдение тонкой структуры спектральных линий, а также сравнение спектральных линий различной интенсивности. К исследованиям пятого типа относятся эксперименты, подобные опыту Майкельсона, а также другие эксперименты, которые будут описаны ниже (в частности, в гл. 11).
Проверка качества оптических деталей
С точки зрения волновой теории действие оптических деталей сводится к изменению направления или формы волнового фронта. Если параллельный пучок света падает на плоское зеркало, фронт волны изменяет направление, но остается плоским. При падении такого же пучка света на идеальную линзу плоский фронт волны превращается в сферический, сходящийся к некоторой точке, расположенной в фокальной плоскости линзы. На практике большинство оптических деталей не вполне точно выполняет свои функции. Эти детали в какой-то степени деформируют волновой фронт. Если пучок света отражается от плоского зеркала, содержащего небольшие локальные отклонения от плоскости, то последние вызывают соответствующие искажения в волновом фронте отраженной волны. Линза также может обладать локальными нерегулярностями, что приводит к различным ошибкам. Фронт преобразованной волны может оказаться «гладким», но может не иметь желаемой формы. Все эти ошибки могут привести к тому, что оптические пути всех проходящих через линзу лучей, соединяющих точку предмета с соответствующей точкой изображения, окажутся не равными друг другу. Поэтому и возникает необходимость в приборе, который мог бы выявлять влияние оптической детали или их совокупности на волновую поверхность. Такой контроль является в то же время проверкой равенства оптических путей от точки предмета до точки изображения.