Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
УЧЕБНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР
УЧЕБНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР

УЧЕБНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к области обучающих приборов и предназначено для демонстрации интерференции света и определения длины световой волны. Сущность изобретения: два перекрывающихся световых пучка образуются в результате прохождения каждым из них одной и той же прослойки, но под несколько различными углами, что обеспечивает малую разность хода лучей и возможность образования системы контрастных интерференционных колец, при этом для разделения первичного светового пучка используется явление диффузного рассеяния, а светоделительная система состоит из подвижного плоского диффузора и установленного параллельно ему плоского зеркала-отражателя. С помощью этого интерферометра на базе стандартного оборудования можно получить контрастную интерференционную картину. 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2154307
Класс(ы) патента: G09B23/22, G01B9/02
Номер заявки: 98110890/28
Дата подачи заявки: 08.06.1998
Дата публикации: 10.08.2000
Заявитель(и): Амстиславский Яков Ефимович
Автор(ы): Амстиславский Я.Е.
Патентообладатель(и): Амстиславский Яков Ефимович
Описание изобретения: Основной частью любого интерференционного прибора является светоделительная система, в которой первичный световой пучок, формируемый осветительной частью прибора, делится на два (в двухлучевых приборах) или на несколько (во многолучевых приборах) производных пучков. В современных интерферометрах деление первичной световой волны на части происходит либо за счет деления амплитуды волны (интерферометры Майкельсона, Жамена, Маха-Цендера, Фабри-Перо и их разновидности), либо за счет деления фронта волны (интерферометр Рэлея, эшелон Майкельсона, дифракционные решетки и их многочисленные разновидности). (См. например, книги: 1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. -М.: Наука, 1973, параграфы 7,3; 7,5; 7,6; 2. Ландсберг Г.С. Оптика. -М.: Наука, 1976, параграфы 28-30, 45, 46, 48, 49; 3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.:Наука, 1980, параграфы 33-36, 46, 48; 4. Лабораторный практикум по общей физике/ Под ред. Е.М.Гершензон, Н.Н.Малов. - М.: Просвещение. 1985, с. 143-146). Возникающие в результате такого разделения производные пучки проходят интерферометр разными путями и по выходе из прибора перекрываются в плоскости наблюдения. Посредством соответствующей юстировки прибора добиваются необходимой степени взаимной когерентности перекрывающихся пучков и появления в области перекрывания контрастной интерференционной картины.
Большинство известных интерферометров представляет собой достаточно сложные, дорогостоящие и трудно юстируемые системы. Поэтому они не получили распространения в учебной практике. Одним из немногих интерференционных приборов, используемых в учебных целях, который, как и предлагаемый ниже учебный оптический интерферометр, формирует семейство концентрических интерференционных колец первых порядков той же геометрии, является известный прибор для получения колец Ньютона. (см., например, [4]). Светоделительной частью известного прибора служит оптическая система, состоящая из плоскопараллельной стеклянной пластики и плосковыпуклой линзы, наложенной на пластинку выпуклой поверхностью. Разделение первичной волны на части в известном приборе является результатом деления амплитуды волны в тонкой воздушной прослойке между линзой и пластинкой. Толщина прослойки в пределах рабочего ее участка не превосходит нескольких микрометров, а размеры этого участка обычно составляют лишь несколько миллиметров в поперечнике. Поэтому для наблюдения картины и измерения радиусов колец используют наблюдательный микроскоп. Таким образом, известный прибор включает осветительную часть, состоящую из источника света и полупрозрачной стеклянной пластинки, укрепленной в тубусе микроскопа (опак-иллюминатор, см.[4]), светоделительную часть в виде сочетания пластинки и линзы и наблюдательную часть в виде наблюдательного микроскопа. Достоинством известного прибора является возможность самодельного изготовления его на базе деталей и приборов, имеющихся в физкабинете. Наряду с указанным достоинством прибор имеет и существенные недостатки. Отметим эти недостатки. 1. Расчетную формулу в соответствии с [4] можно записать в виде
R=(rk2-ri2)/(K-i) · λ , (1)
где R - радиус кривизны поверхности линзы, rk и ri - радиусы темных интерференционных колец, K и i - номера этих колец, а λ - длина световой волны. Из трех величин, входящих в правую часть (1), можно измерить посредством измерительной шкалы прибора и визуального отсчета по картине только две - радиусы колец и их порядки. Величину λ надо либо задать, либо измерить с помощью другого измерительного прибора - спектрометра. Таким образом, для выполнения полного расчета по (1) необходимо, кроме известного прибора, задействовать еще и другой прибор - спектрометр. 2. Отсутствует надежная и воспроизводимая последовательность юстировочных операций, необходимых для получения системы колец Ньютона и достижения высокой контрастности колец. 3. Картина оказывается неустойчивой, что делает невозможным изменить в ходе опыта толщину прослойки и наблюдать картину в динамике и, тем более, проводить в таких условиях измерения искомых величин. 4. По известным причинам кольца Ньютона наблюдают в отраженных лучах. Но в этом случае нельзя избежать засвечивания картины пучками, отраженными от внешних поверхностей светоделительной системы. Отсюда неизбежное ухудшение контрастности колец, которые в отраженных лучах имеют к тому же небольшую относительную освещенность. 5. Имеются теоретические трудности при выводе расчетной формулы. В частности, затруднения вызывает учет возможного появления скачка фаз δϕ = π при отражении от границы раздела двух прозрачных диэлектриков, а также - проблема локализации колец.
Все эти недостатки отсутствуют в предлагаемом учебном оптическом интерферометре, в котором образование двух когерентных перекрывающихся световых пучков является результатом рассеяния первичной волны в диффузоре с последующим отражением рассеянной волны от зеркала и повторным рассеянием в том же диффузоре. Таким образом, способ получения когерентных перекрывающихся пучков (способ светоделения) в предлагаемом учебном оптическом интерферометре и работа этого прибора коренным образом отличается от того, что имеет место в любом из известных учебных интерференционных приборов, и в том числе - в упомянутом выше приборе для получения колец Ньютона. К достоинствам предлагаемого прибора можно отнести следующие его особенности. 1. Доступность прибора, возможность изготовления прибора на базе стандартного учебного оборудования и доступных материалов. 2. Простота и наглядность подсчета разности хода перекрывающихся в поле зрения окуляра прибора пучков и вывода рабочей формулы. 3. Предсказуемость поведения прибора в процессе его юстировки: юстировка сводится к нескольким легко осуществимым, однозначно определенным и остро контролируемым по наблюдаемым эффектам последовательным операциям. 4. Возможность прямых измерений посредством шкал самого прибора всех четырех величин (F, L, rk и K), входящих в расчетную формулу. 5. Возможность изменения в ходе опыта толщины L воздушной прослойки прибора и выявления динамики зависимости геометрии картины от параметра L. Такая возможность является результатом компенсационного характера явления, происходящего в предлагаемом приборе, что обуславливает устойчивость формируемой прибором интерференционной картины.
Рассмотрим оптическую схему установки (фиг.1). Диафрагма Д с малым отверстием S расположена в передней фокальной плоскости линзы Л так, что отверстие S оказывается совмещенным с главным фокусом линзы. Пучок света от ярко освещенного отверстия S, играющего роль точечного источника, падает на линзу Л и выходит из нее в виде коллимированного пучка, ширина которого ограничена диафрагмой Д1. Этот пучок освещает плоский полупрозрачный диффузор Дф, который в сочетании с плоским зеркалом З с внешним отражающим покрытием, установленным параллельно диффузору Дф и отстоящим от Дф на расстояние в несколько сантиметров, и представляет собой светоделительную часть учебного оптического интерферометра. Частичное рассеяние на диффузоре и отражение от зеркала З приводит к возникновению нескольких пучков, идущих обратно к линзе Л. Среди этих пучков есть два пучка близкой интенсивности. Один из них возникает в результате прохождения полупрозрачного диффузора Дф без рассеяния на прямом пути, последующего отражения от зеркала З и рассеяния при прохождении диффузора на обратном пути. Второй пучок возникает в результате рассеяния в диффузоре на прямом пути, последующего отражения от зеркала и прохождения диффузора без рассеяния на обратном пути. При небольшой плотности рассеивающего покрытия и должной съюстированности деталей установки эти пучки характеризуются высокой степенью взаимной когерентности и их перекрывание приводит к формированию интерференционной картины хорошего качества. Подсчитаем разность хода интерферирующих лучей. С этой целью обратимся к фиг. 2. Рассмотрим два близких луча 1 и 2 первичного коллимированного пучка, которым на выходе из источника S соответствует очень малая апертура интерференции 2U (об апертуре интерференции и ее роли см., например, в [2, с.72, 73] ). Пусть луч 1 на прямом пути проходит диффузор Дф вблизи рассеивающего центра А без рассеяния и после отражения от зеркала З возвращается к А и испытывает рассеяние на центре А под углом α, формируя рассеянный луч 1', а луч 2 испытывает рассеяние на том же центре А под тем же углом α на прямом пути и проходит повторно диффузор Дф на обратном пути без рассеяния, формируя рассеянный луч 2' параллельный лучу 1'. Лучи 1' и 2' перекрываются в точке E фокальной плоскости 1-1 линзы Л. Проведем побочную оптическую ось OE. Из треугольника EOS видно, что рассеяние r между точками E и S составляет r = F · tg α или, с учетом малости угла α, r = F · α. При подсчете разности хода Δ перекрывающихся в E лучей необходимо иметь в виде следующее важное обстоятельство. При рассеянии на данном центре А имеет место скачок фазы, величина которого зависит от свойств рассеивающего центра. Но поскольку оба луча 1' и 2' возникают в результате рассеяния на одном и том же центре А под одним и тем же углом α, эти скачки фаз оказываются одинаковыми и при расчете Δ они выпадают. Поэтому величина Δ определяется только геометрическими соотношениями. Проведем отрезок СД, перпендикулярный к лучам 1' и 2'. В силу таутохронности участков путей СЕ и ДЕ будем иметь:

Учитывая, что α = r/F, можем записать
Δ = L · (r/F)2. (2)
Из формулы (2), как и из соображений симметрии следует, что при нормальном падении первичного пучка на зеркало З интерференционная картина, формируемая в плоскости I-I, так же как и идентичная картина в плоскости наблюдения II-II, должны представлять собой семейство концентрических колец с центром в S (S2). Для светлого кольца К-го порядка имеем Δ = K·λ, где К = 1, 2, 3... Подставляя это соотношение в (2), получим
λ = (L/K)(rк/F)2. (3)
Для темных колец Δ = (2K-1)λ/2, где также K = 1, 2, 3... Поэтому при определении λ по радиусам темных колец расчетная формула имеет вид
λ = [2L/(2K-1)](rк/F)2. (4)
Рассмотрим конструкцию учебного оптического интерферометра. Все оптические детали прибора, за исключением окуляра наблюдения Ок, собраны и закреплены на оптической скамье. В приборе можно выделить следующие основные части: а) осветительную систему, состоящую из линзы Л с апертурной диафрагмой Д1 и точечного источника света - малого ярко освещенного отверстия S в диафрагме Д, установленной в передней фокальной плоскости линзы Л; указанная система представляет собой автоколлиматор; б) светоделительную систему, состоящую из плоского зеркала-отражателя З с внешним алюминиевым покрытием, плоского подвижного диффузора Дф, установленного параллельно зеркалу З и удаленного от зеркала на несколько сантиметров; в) наблюдательную систему, состоящую из плоскопараллельной пластины Пл с полупрозрачным отражающим покрытием на одной из своих поверхностей, установленной посередине между источником света S и линзой Л под углом 45o к оси светового пучка, и окуляра наблюдения Ок, установленного в плоскости II-II, сопряженной с плоскостью I-I.
Опорой для светоделительной части учебного оптического интерферометра служит стандартный железный столик размером 80 х 80 х 10 мм3. К торцу столика, перпендикулярному к длине оптической скамьи, при помощи двух винтов прижата квадратная пластина из оргстекла размером 80 х 80 х 5 мм3, ориентированная вертикально и выполняющая роль опорной стенки для установленного на столике зеркала-отражателя З. Отражатель З представляет собой стандартное зеркало с внешним алюминиевым покрытием. Размеры стеклянной подложки зеркала составляют 73 х 118 х 6,3 мм3. На зеркало З, опирающееся на столик, надет легкий полужесткий хомут, горизонтальное сечение которого напоминает букву С. Это хомут вместе с охватываемым им зеркалом упруго связан с опорной стенкой при помощи двух спиральных пружинок. Один конец каждой из пружинок прикреплен к краю хомута, а второй - зажат под винт вблизи внешнего края опорной стенки. Прижимающее действие пружинок компенсируется противодействием опорного винта В1, ввернутого вблизи середины верхнего края опорной стенки и упирающегося своим концом в хомут с тыльной его стороны. Указанная конструкция держателя зеркала З обеспечивает плавный и регулируемый его поворот вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной к длине оптической скамьи (оси Y), посредством воздействия на регулировочный винт В1. Вторым основным элементом светоделительной части учебного оптического интерферометра является плоский диффузор Дф, установленный параллельно зеркалу на расстоянии в несколько сантиметров от него. Конструкция держателя диффузора Дф предусматривает возможность плавного регулируемого перемещения диффузора параллельно самому себе в направлении, перпендикулярном зеркалу З. С этой целью к продольному по отношению к длине оптической скамьи торцу опорного столика прикреплен подвижный держатель диффузора в виде части от препаратоводителя СТ-12У4.2 с микрометрическим винтом B2 и шкалой-нониусом. Воздействие на винт B2 позволяет осуществить плавное и контролируемое перемещение диффузора с точностью до 0,1 мм. Прикрепление держателя диффузора к опорному столику осуществлено при помощи уголковой скобы Г-образного сечения, изготовленной из 2-милиметрового железа: длина скобы 50 мм, внутренние поперечные размеры широкой стороны 30 мм, вблизи края этой стороны просверлены два гладких отверстия диаметром 7 мм, согласованные по положению с отверстиями в опорном столике; внутренние поперечные размеры узкой стороны 8,5 мм, в ней просверлены три гладких отверстия диаметром 3 мм, согласованные по положению с отверстиями под винтики в держателе диффузора. К подвижному элементу держателя диффузора при помощи двух винтиков крепится горизонтальная алюминиевая пластина размером 36 х 80 х 2 мм3, большая сторона которой ориентирована перпендикулярно к длине оптической скамьи; эта пластина возвышается над поверхностью столика на несколько мм. К поверхности пластины также посредством винтиков прикреплены два брусочка из оргстекла, имеющие размеры 10 х 12 х 80 мм3 каждый. Брусочки закреплены с таким расчетом, чтобы вставленный в образованную между ними щель диффузор Дф имел необходимую устойчивость. В качестве рассеивающего покрытия диффузора использован полупрозрачный слой ликоподия. (Ликоподий-порошок из спор плауна (d 30 мкм), используется в медицине (присыпка) и в металлургии, его можно найти в аптеке). Подложкой диффузора служит половина отмытой от эмульсии фотопленки 90 х 120 мм2, имеющая размеры 90 х 60 мм2. Подложку тщательно очищают и на одну из ее поверхностей наносят тонкий слой жира, который служит клейкой основой для прилипания пылинок порошка. С этой целью по поверхности пластинки размывают капельку любого масла или крупицу жира, затем аккуратно протирают поверхность чистой тряпочкой и насыпают на нее щепотку ликоподия. Покачивая пластинку добиваются рассыпания порошка по всей поверхности и, резко постукивая ребром пластинки по краю стола, удаляют излишки ликоподия. Для возникновения яркой и контрастной картины покрытие должно иметь небольшую плотность.
Осветительная часть прибора, состоящая из линзы Л и малого ярко освещенного отверстия S в диафрагме Д, установленной в фокальной плоскости линзы, выполняет роль автоколлиматора. Важная роль автоколлиматора состоит, во-первых, в формировании первичного коллимированного пучка, освещающего светоделительную часть прибора, и, во-вторых, в фокусировке коллимированных диффузно рассеянных когерентных световых пучков, идущих от диффузора после отражения от зеркала З в обратном направлении - в сторону автоколлиматора; перекрывание и интерференция когерентных пучков имеет место в области их фокусировки в фокальной плоскости I-I, в которой установлена диафрагма Д. Использованная в учебном оптическом интерферометре одиночная линза Л имеет фокусное расстояние F= 245 мм. Для уменьшения сферической аберрации линзы ее прикрывают диафрагмой Д1 с центральным круглым отверстием диаметром 10 мм. Оправа линзы Л имеет винт B3 поперечного перемещения, позволяющий плавно и обратимо перемещать линзу в направлении, перпендикулярном к длине оптической скамьи. Особенность схемы учебного оптического интерферометра, связанная с малостью апертуры интерференции 2U, позволяет в качестве точечного источника света использовать освещенное отверстие сравнительно большого диаметра 1 мм. Непрозрачным экраном с таким отверстием служит стандартная дисковая диафрагма Д с круглыми отверстиями. Диафрагму Д разворачивают так, чтобы диск с отверстиями был обращен к линзе Л, а на пути светового пучка оказалось отверстие минимального диаметра, которое и играет роль точечного источника S. Для удобства юстировки учебного оптического интерферометра на поверхности диска диафрагмы Д со стороны, обращенной к линзе Л, в области отверстия S наклеивают вырезанный из ватмана кружок диаметром, например, 50 мм. Затем, с целью прокола наклейки несколько раз проходят отверстие швейной иглой. При выполнении наблюдений и измерений в немонохроматическом свете лампы накаливания, грубо монохроматизированном цветном, например - красным стеклом, осветителем прибора служит стандартный осветитель ОИ-19 с маломощной лампой (8 В, 20 Вт). При выполнении измерений в монохроматическом свете осветителем прибора служит стандартный осветитель ОИ-18 со ртутной лампой СВД-120А в сочетании со светофильтром, выделяющим излучение одной из ярких линий ртутного спектра.
Наблюдательная часть учебного оптического интерферометра состоит из разделительной пластины Пл и окуляра наблюдения Ок. Пластина Пл представляет собой толстую (t=9 мм) стеклянную шайбу с семислойным диэлектрическим отражающим покрытием, нанесенным на одну из поверхностей стеклянной подложки. Коэффициент отражения R покрытия и коэффициент пропускания Т для зеленой линии ртутного спектра ( λ = 546,1 нм) составляют соответственно: R 0,85, T 0,15. Пластину Пл устанавливают посредине между линзой Л и источником S и ориентируют под углом i=45o к оси светового пучка. Интерференционную картину наблюдают в плоскости II-II, сопряженной с передней фокальной плоскостью I-I линзы Л, в которой расположен источник S. Наблюдения выполняют при помощи окуляра МОВ-1-15x, микрометрическая система которого включает подвижное перекрытие нитей.
Юстировка прибора, обеспечивающая необходимую когерентность перекрывающихся пучков, сводится к нескольким легко осуществимым, однозначно определенным и строго контролируемым по наблюдаемым эффектам последовательным операциям. Детали прибора закрепляют в ползунках оптической скамьи так, чтобы центры отверстия S и центр линзы Л оказались на одной горизонтали. Нужное продольное положение источника S отыскивают следующим образом. А) Из схемы прибора убирают диффузор Дф. Б) Диафрагму Д с ярко освещенным отверстием S устанавливают приблизительно в передней фокальной плоскости линзы Л. В) Смотря на белую поверхность диафрагмы Д1 линзы Л со стороны интерферометра, грубо манипулируют регулировочными винтами B1 и B3 и добиваются того, чтобы выходящий из отверстия в диафрагме Д1 в сторону диффузора Дф световой пучок после отражения от зеркала З возвращался обратно в это отверстие. Тогда на диафрагме Д вблизи S появляется яркое светлое пятнышко S1 - зеркальное изображение источника S. Г) Медленно изменяя расстояние от диафрагмы Д с отверстием S до линзы Л, добиваются максимальной резкости изображения S1. Д) Воздействуя снова на регулировочные винты B1 и B3, перемещают изображение S1 до видимого на глаз (грубого) совмещения его с отверстием S. Дальнейшие этапы юстировки сводятся к следующему. 1. Осторожно устанавливают диффузор на свое место. При этом зеркально отраженный пучок существенно ослабевает, но появляется паразитный пучок, отраженный непосредственно от поверхности подложки диффузора и формирующий вблизи S не очень яркое, но заметное изображение - блик S' (отличие S' от S1: при воздействии на винт B1 изображение S1 перемещается по вертикали, тогда как блик S' остается неподвижным).
Более тонкую юстировку прибора осуществляют, переходя к наблюдению изображения S2, формируемого пучком, отраженным от разделительной пластины Пл. 2. Картину в области изображения S2 рассматривают при помощи окуляра Ок, но предварительно наблюдают S2 на матовом стекле Мт или на листке папиросной бумаги. Изменяя расстояние от Мт до Пл, находят область фокусировки изображения S2 и устанавливают окуляр Ок так, чтобы изображение S2 оказалось в средней части поля зрения окуляра. Если предварительно достигнуто грубое совмещение S1 с S, посредством методики, указанной в п. Д), то вблизи изображения S2 появляется система интерференционных колец, которая вначале оказывается малоконтрастной и несколько смещенной относительно S2. 3. Смотря в окуляр и осторожно манипулируя винтами B1 и B3, подгоняют изображение S2 к центральной части системы колец. При этом степень пространственной когерентности интерферирующих пучков резко возрастает и контрастность колец существенно улучшается.
Возможность получения при помощи учебного оптического интерферометра высококонтрастной интерференционной картины иллюстрируют интерферограммы, представленные на снимках фиг. 3. Интерферограммы получены при расcтояниях L между диффузором Дф и зеркалом-отражателем З, равных соответственно: а) Lа = 20 мм, б) Lб= 30 мм, в) Lв = 40 мм и г) Lг = 50 мм. Снимки сделаны в свете желтых линий ртутного спектра ( λ = 578 нм).
Формула изобретения: Учебный оптический интерферометр, состоящий из осветительной части, светоделительной системы и наблюдательной части, отличающийся тем, что светоделительная система имеет плоский полупрозрачный подвижный диффузор и установленный параллельно диффузору удаленный от него на несколько сантиметров отражатель, а осветительная часть прибора имеет коллимирующую линзу и точечный источник света, расположенный в фокальной плоскости линзы, при этом для достижения высокой степени взаимной когерентности рассеянных коллимированных перекрывающихся пучков и получения контрастной интерференционной картины точечный источник установлен в главном фокусе линзы, отражатель ориентирован строго перпендикулярно главной оптической оси линзы, а наблюдение картины производится в плоскости, сопряженной с передней фокальной плоскостью линзы.