Коллиматорная часть состоит из зеркально-менискового объектива К1 диаметром 230 мм и фокусным расстоянием 1917 мм, плоского зеркала R1 для изменения направления лучей, закрепленного на одной каретке со щелью L. Последняя устанавливается в фокусе объектива К1. На каретке имеются механизмы поворота и изменения ширины щели.

Наблюдательная часть состоит из точно такого же зеркально-менискового объектива К2, что и в коллиматорной части, плоского зеркала R2 для изменения направления лучей, закрепленного на каретке с ножом В. Последний устанавливается в фокальной плоскости ФФ зеркально-менискового объектива К2. Объектив О может перемещаться вдоль оптической оси и служит для получения резкого изображения шлир и других объектов, находящихся в плоскости ss, на экране Э. На каретке с ножом установлены механизмы перемещения и поворота ножа.

Изменение ширины щели и перемещение ножа в фокальной плоскости объектива К1 производится микрометрическими винтами с точностью до сотых долей миллиметра. Высоту щели можно менять с помощью вставной диафрагмы. Кроме того, имеется вставная диафрагма с отверстиями различных диаметров, которой пользуются при необходимости иметь источник света в форме светящегося круга. В качестве диафрагмы, кроме ножа, можно пользоваться "нитями" различных диаметров.

К каретке наблюдательной системы прикреплен откидной кронштейн, выполненный в виде самостоятельной части. На нем укреплены объектив О, фотозатвор "Темп" и приспособления, позволяющие одновременно наблюдать и фотографировать теневую картину.

Ход лучей в приборе ИАБ-458 показан на рис. 2.4. Щель L с помощью конденсора О` равномерно ярко освещается лампочкой накаливания (12 вольт, 50 ватт) или одной из ртутных ламп ДРШ 250-3 или ДКсШ-200. Свет через щель проходит на зеркало R1 и, отражаясь, падает на зеркало объектива K1 и после второго отражения идет к мениску объектива К1. Так как щель L находится в фокусе объектива К1, то после мениска получается параллельный пучок света. Далее свет проходит через мениск и отражается от зеркала объектива К2 и падает на зеркало R2. После отражения от него в фокальной плоскости объектива К2 создается изображение щели - изображение источника света. Так как зеркально - менисковые объективы К1 и К2 совершенно идентичны, то размеры изображения щели равны размерам самой щели.

К прибору прилагается ряд принадлежностей, из которых следует отметить: окуляры (увеличение в 2.5 и в 5 раз), фотоприставки (ФЭД и рамка от "фотокора"), лупа для проектирования изображения источника света на экран, блок питания для лампочки накаливания и для ДРШ 250-3 и ДКсШ-200, футляры для установки и удержания их, набор призм Волластона, набор "нитей", голографическая приставка РП-460.

III. Методы измерения отклонения света на приборе Теплера

При исследовании относительно грубых шлир удобно пользоваться методами измерения e, не требующими кропотливого процесса фотометрирования. К таким методам относятся метод щели и ножа, метод щели и нити и метод щели и решетки. При применении этих методов в качестве источника света в приборе Теплера используется равномерно ярко освещенная щель.

Как показали исследования Д.Д. Максутова, щель имеет ряд преимуществ перед другими формами источников света и, в частности перед точкой:

1. При той же ширине, что и диаметр точки, и при той же степени перекрытия ее изображения диафрагмой, щель посылает на экран значительно больше света.

2. Значительно повышается чувствительность метода.

3. Дифракционный интерферометр на базе ТЕНЕВОГО прибора ТЕПЛЕРА ИАБ-458 (ИАБ-451)

Среди различных оптических интерферометров широкое применение находит интерферометр с дифракционной решеткой. Применение интерферометров с дифракционной решеткой объясняется тем, что использование дифракционных решеток является удобным способом создания когерентных пучков света.

Вторым положительным качеством интерферометров рассматриваемого типа является то, что при использовании решеток из натянутых нитей или отражательных решеток интерферометрические исследования можно проводить в ультрафиолетовом, инфракрасном и даже СВЧ диапазонах электромагнитных колебаний. Эта особенность является очень важной, так как позволяет применять их для изучения объектов новых классов, имеющих большое практическое значение, например, лазерных систем на углекислом газе, дающих излучение с длиной волны 10.6 мкм.

Наконец, интерферометры с дифракционной решеткой просты и их легко можно, использовать совместно с приборами других типов, например, теневыми приборами.

I. Основы теории интерферометра с дифракционной решеткой

1.1 Основные положения

Свойства интерферометров с дифракционной решеткой в первую очередь определяются характеристиками решетки. Под решеткой обычно понимают периодическую структуру, состоящую из системы прозрачных или отражающих штрихов, вносящих амплитудные, фазовые или в общем случае амплитудно-фазовые изменения в проходящую через них световую волну. Как правило, штрихи прямолинейны и параллельны между собой, однако находят применение интерферометры, в которых решетка представляет собой систему концентрических окружностей.

Основной характеристикой решетки является ее период d-расстояние между аналогичными линиями штрихов, измеренное в направлении, перпендикулярном штрихам. Иногда в качестве характеристики используют частоту - величину, обратную периоду. Второй характеристикой является форма штриха, определяющая зависимость величины амплитудно-фазовых изменений, вносимых решеткой в световой поток, от координаты, перпендикулярной штрихам. Как правило, используют решетки с простой формой штриха - трапецеидальной, синусоидальной, прямоугольной, треугольной.

Период дифракционных решеток изменяется в широких пределах от 10 до 104 штрихов на 1 мм, но для целей интерферометрии чаще всего используют решетки с малой частотой штриха - от 10 до 102 штрихов на 1 мм.

Как известно, после взаимодействия света с дифракционной решеткой пучок параллельных световых лучей разбивается на серию отдельных пучков - дифракционных максимумов. Направление распространения этих пучков определяется из соотношения

sina - sinb = Nl/d,  (3.1)

где a и b - соответственно углы, составляемые направлениями распространения идущего от решетки и падающих на решетку световых потоков и нормалью к ней; N - порядковый номер дифракционного максимума, N=0, ±1, ±2, ...; l - длина световой волны.

Если первоначальный пучок света падает нормально к решетке, то вместо равенства (3.1) имеем

sina = Nl/d. (3.2)

При сравнительно грубых решетках, когда углы дифракции малы, равенства (3.1) и (3.2) принимают вид

 (3.3)

 (3.4)

Так как для большинства схем интерферометров N = 0; 1 или 2, а частота штрихов не превышает 100 штрихов на 1 мм, то почти всегда следует пользоваться равенствами (3.3) и (3.4).

Одна из распространенных оптических схем, на примере которой удобно описать явления, происходящие в интерферометрах с дифракционной решеткой, дана на рис. 3.1.

Источник света И находится в фокальной плоскости основного объектива О1 осветительной части прибора. Часто вместо источника, устанавливаемого непосредственно в фокальной плоскости, применяют систему конденсорных объективов и в качестве источника используют промежуточное изображение светящегося тела. Это удобно, так как промежуточное изображение легко ограничить диафрагмами нужной формы и тем самым удовлетворить требованиям, предъявляемым к источнику света с точки зрения необходимости ограничения его размеров в одном или двух направлениях. Чаще всего такими диафрагмами являются щель или осветительная дифракционная решетка. Из объектива О1 выходит коллимированный пучок света, который проходит через исследуемую неоднородность Н. В плоскости предметов интерферометра, где расположена Н, устанавливают также и диафрагму Д, выделяющую в поле прибора рабочий участок и поле волны сравнения. В практических условиях иногда невозможно поставить Д в плоскость предметов. В этих случаях отступают от идеальной схемы и помещают диафрагму поля предметов Д между неоднородностью и объективом О2. Так как в пространстве О1 и О2 световой пучок коллимирован, то, как правило, такое отступление не приводит к существенному изменению интерференционной картины. За плоскостью предметов устанавливают О2 - основной объектив приемной части прибора, размер которого выбирают так, чтобы его оправа не ограничивалась ни одной из интерферирующих волн. Вблизи от F - второй фокальной плоскости объектива О2 установлена дифракционная решетка R. За решеткой располагается плоскость экрана Э, который устанавливают в том месте, где находится изображение неоднородности Н. При использовании результатов экспериментов необходимо умножить все линейные размеры изображения на масштаб.

На экране наблюдается серия изображений, не закрытых непрозрачными зонами диафрагмы Д участок плоскости предметов, каждое из которых оборудовано светом одного из дифракционных максимумов. Эти изображения сдвинуты относительно нулевого, не сдвинутого изображения, на величину

 (3.5)

где m - масштаб изображения; f — фокусное расстояние объектива О2; s - расстояние от плоскости предметов до первой главной плоскости объектива О2.

Расстояние между изображениями различных порядков

 (3.6)

Для того чтобы рабочая волна и волна сравнения полностью накладывались одна на другую, необходимо, чтобы величина сдвига равнялась расстоянию b между изображениями отверстий диафрагмы. Это достигается при

 (3.7)

Как правило, величины s и f одного порядка, а D значительно меньше, чем каждая из них. Это позволяет пренебречь вторым членом в квадратных скобках выражений (3.5) - (3.7) и записать их в упрощенном виде:

Практически, если в качестве основы прибора используется теневой прибор ИАБ-458, имеющий световой диаметр основных объективов 230 мм и f=1918 мм, то при l=5,25.10-4 мм и интерференции +1 и -1 максимумов для b=60 мм необходимо иметь решетку с частотой 30 штрихов на 1 мм. При интерференции нулевого и первого максимумов можно для рабочего участка использовать половину поля прибора, и для b=100 мм необходимо взять решетку с частотой 100 штрихов на 1 мм.

1.2 Схема интерферометра

Интерферометр с дифракционной решеткой на основе теневого прибора с восстановлением волной сравнения приведен на рис. 3.2.

II. Юстировка и настройка интерферометра

До ввода в действие прибор должен быть отъюстирован. Сборка и юстировка большинства основных деталей интерферометра существенно не отличаются от аналогичных операций для других оптических приборов.

Однако существует несколько операций юстировки, специфичных только для интерферометров с дифракционной решеткой. Это установка диафрагм, выделяющих рабочее поле и поле сравнения, и особенно юстировка дифракционных решеток в осветительной и приемной частях прибора.

Установка диафрагм довольно проста. Их размер и расположение определяются по формулам. Контроль точности установки ведут визуально по совмещению интерферирующих полей. Допустимая погрешность установки обычно велика. Необходимо только, чтобы несовпадение полей было много меньше размера каждого из полей, а это обычно достигается при погрешности установки, примерно равной 0.5-1 мм.

Установка и юстировка дифракционных решеток более сложна, поэтому опишем ее подробно.

Дифракционная решетка приемной части прибора должна быть перпендикулярна оптической оси. Кроме этого необходимо знать положение решетки относительно плоскости изображения осветительной диафрагмы, которая, как правило, совпадает с фокальной плоскостью основного объектива приемной части прибора. Решетку в фокальной плоскости прибора устанавливают одним из двух способов.

Первый способ - автоколлимационный. У основного объектива устанавливают плоское зеркало и через микроскоп одновременно наблюдают дифракционную решетку и ее изображение, образованное после двукратного прохождения через основной объектив и отражения от плоского зеркала. Решетку передвигают вдоль оптической оси до тех пор, пока она и ее изображение не будут одновременно резко видны. Перпендикулярность решетки оптической оси устанавливают и проверяют путем наблюдения периферийных участков решетки, где решетка и ее изображение должны быть одновременно так же резко видны, как и на оптической оси. Этот метод позволяет совмещать решетку с фокальной плоскостью с погрешностью ±0.1 мм для систем, основанных на использовании прибора ИАБ-458.

Второй способ установки решетки в фокусе перпендикулярно оптической оси основан на наблюдении интерференционной картины. При выведенной из фокуса решетке поле освещено неравномерно. Передвигая решетку вдоль оси, добиваются равномерности освещенности поля. При этом считают, что решетка находится в фокусе.

Специфичным этапом юстировки является установка диафрагмы осветительной части прибора, которая ограничивает промежуточное изображение источника света. Если такой диафрагмой служит щель, то она должна быть расположена перпендикулярно оптической оси и параллельно штрихам осветительной решетки.

Не параллельность штрихов приемной и осветительной решеток приводит к увеличению эффективной ширины источника света в направлении, перпендикулярном штрихам решетки, и к снижению контраста интерференционной картины.

Параллельность штрихов решетки обеспечивают одним из двух способов. При первом способе после грубой установки решеток, которая определяет направление интерферирующих полос, поворачивают одну из решеток и наблюдают интерференционную картину в плоскости изображений. Штрихи считают параллельными при таком положении решетки, при котором контраст максимален. Способ используют при настройке на конечную ширину полос, и он имеет то преимущество, что при настройке добиваются максимальной величины наиболее важного при измерениях параметра картины- контраста.

Этим способом нельзя устанавливать решетки параллельно при настройке на бесконечную ширину полос, так как при сдвиге решетки в плоскости изображения источника света юстировка может нарушиться. Поэтому часто приемную решетку устанавливают, совмещая ее с изображением осветительной решетки. Изображение наблюдают через микроскоп или на экране. Грубую настройку можно осуществлять по муаровой картине пересекающихся штрихов осветительной и приемной решеток. Для дальнейшего уточнения положения решеток необходимы наблюдения приемной решетки и изображения осветительной решетки через микроскоп.

Из-за неточности изготовления основных объективов их фокусные расстояния могут иметь некоторый разброс. Поэтому даже при точной установке решеток в фокус периоды изображений осветительной и приемной решеток могут иметь некоторый разброс. Это приводит к ухудшению контраста картины. Для устранения действия этого фактора осветительную решетку сдвигают относительно фокуса объектива приемной части и тем самым меняют масштаб ее изображения. При этом решетку осветительной части каждый раз устанавливают в плоскость изображения осветительной решетки. Наблюдая в микроскоп за соответствием периодов решетки и изображения, добиваются того, чтобы они были равными.

Опыт показывает, что с помощью описанных методик можно добиваться того, чтобы характеристики реального прибора незначительно отличались от идеального. При этом контраст интерференционных полос получается практически равным теоретически рассчитанному.

4. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР СДВИГА НА БАЗЕ ПРИБОРА ТЕПЛЕРА ИАБ-458 (ИАБ-451)

В поляризационных интерферометрах для получения смещенных волновых фронтов (световых пучков) используются поляризационные призмы - преимущественно призмы Волластона, иногда - полярископ Савара. Для поляризации света и получения интерферограммы применяются поляроиды. Поляризационные интерферометры работают по схеме компенсации разности хода, что дает возможность использовать широкий источник света и обеспечивать получение яркой интерферограммы. То есть в этих интерферометрах та часть разности хода, которая зависит от положения светящейся точки источника, компенсируется путем пропускания света через вторую призму.

Поляризационные интерферометры сдвига очень просты в юстировке и регулировках.

I. Схема поляризационного интерферометра сдвига на базе прибора ИАБ-458

Поляризационный интерферометр может быть получен на основе двухобъективного теневого прибора типа ИАБ-458, если в последнем щель и нож заменить призмами Волластона W1 и W2, установленными перпендикулярно к оптической оси прибора (рис 4.1.). Для получения поляризованного света и наблюдения интерференционной картины перед первой призмой и за второй необходимо соответствующим образом установить поляроиды Р1 и Р2.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5