Перемещением призмы в приемной части вдоль оптической оси относительно фокуса возможна настройка на интерференционные полосы различной ширины. Если призмы Волластона стоят так, что фокусы приходятся на преломляющие грани, то интерферометр настроен на полосы бесконечной ширины.

Конденсор К образует изображение источника света S в фокальной плоскости первого главного объектива О1. Второй раз изображение источника, перевернутое по отношению к первому, образуется в фокальной плоскости второго объектива О2. Исследуемый объект Н помещается между линзами О1 и О2 в параллельном пучке. Средние плоскости призм параллельны друг другу. Плоскость поляризации поляризатора Р1 составляет угол 450 с оптическими осями призмы. Анализатор Р2 параллелен или скрещен с поляризатором.

На рис 4.1. изображен ход одной пары интерферирующих лучей в случае, когда призмы находятся "в фокусах" главных объективов, т.е. по отношению к оптической системе линз О1 и О2 плоскости локализации изохроматических полос совпадают со взаимосопряженными плоскостями. Падающий луч выходит из внеосевой точки источника. В призме W1 он разделяется на лучи 1 и 2. Каждый из лучей 1 и 2, пересекая призму, отклоняется в противоположных направлениях на угол q/2.

Продолжение падающего луча пересекает исследуемый объект в точке L. После прохождения главных объективов лучи 1 и 2 направляются на вторую призму. Их мнимые продолжения пересекаются в точке А` - изображения точки А в первой призме. В призме W2 лучи 1 и 2 снова отклоняются на угол q/2 и соединяются в один луч. При этом во второй призме лучи 1 и 2 должны отклоняться в том же направлении, что и в первой призме.

Оптические пути лучей в воздухе вычислим в приближении, что толщина призмы 2d мала по сравнению с фокусным расстоянием F главных объективов. При вычислении оптических длин лучей в призмах будем пренебрегать наклоном лучей к оси прибора.

Начальная разность хода D между лучами 1 и 2 после пересечения ими второй призмы равна сумме разности de оптических длин в воздухе при распространении света от точки А до точки А` и сумме разностей D1 и D2 оптических длин в призмах. Согласно свойству идеальной оптической системы de=0. Поэтому для получения D достаточно знать Dw=D1+D2.

Призмы вносят разность хода

D1=q1(x1-x1) и D2q2(x2-x2). (4.1)

В компенсационных интерферометрах призмы по отношению одна к другой располагаются таким образом, чтобы осуществлялась компенсация разности хода, зависящей от положения светящейся точки, т.е. чтобы q1x1 и q2x2 имели противоположные знаки. Этому условию удовлетворяют два различных положения второй призмы. В первом положении призмы обращены друг к другу с одинаковыми оптическими осями, но преломляющие углы имеют противоположный знак. Во втором положении призмы обращены друг к другу разными оптическими осями, а преломляющие углы имеют одинаковый знак.

Когда фокусные расстояния главных объективов равны, компенсация разности хода для различных точек источника света происходит при выполнении условия

q1x1 + q2x2 = 0.

Обычно увеличение оптической системы О1-О2 равно единице, поэтому /х1/=/х2/. Следовательно, призмы должны иметь одинаковый преломляющий угол. В этих условиях

D=qx, (4.2)

где x=x1+x2 определяют взаимное расположение средних плоскостей двух призм. Когда призмы находятся в "фокусах" главных объективов, то есть во взаимосопряженных плоскостях, начальная разность хода по всему полю интерференции есть постоянная величина. С немонохроматическим источником на экране наблюдается один цвет - интерферометр настроен на бесконечную полосу.

Когда реализовано условие компенсации разности хода, начальная разность хода не зависит от положения светящейся точки источника света и в интерферометре можно использовать широкий источник света.

При смещении призмы на z1 вдоль оси пучка абсцисса точки падения данного луча на призму изменяется на

Dх`= z1х/F,

где х - абсцисса луча в плоскости главного объектива, или практически то же самое в области исследуемого объекта.

С призмами, не находящимися во взаимосопряженных плоскостях, с учетом формул (4.1) и (4.2), начальная разность хода в поле интерференции определяется соотношением:

D=q(x+zx/F), (4.3)

где z=z2-z1 есть взаимная расфокусировка призм.

Следовательно, в этом случае поле интерференции состоит из системы прямолинейных полос, перпендикулярных направлению сдвига. Ширина полос равна

. (4.4)

I. Сборка и настройка поляризационного интерферометра сдвига на базе теневого прибора ИАБ-458

При работе в режиме интерферометра сдвига в коллиматоре необходимо снять механизм щели и на его место установить узел с призмой Волластона с поляроидом.

В приемной части вместо ножа Фуко установить призму Волластона таким образом, чтобы была нужная ориентация сдвига и нужная настройка интерференционной картины.

Затем добиться резкости изображения объекта исследования. Если надо, установить фотокамеру и фотографировать. Но прежде, необходимо проделать следующие этапы юстировки.

1. Отъюстировать каждый светоделительный узел в отдельности, т.е. определенным образом установить поляроиды относительно призмы.

При правильной юстировке интенсивности интерферирующих пучков должны быть равны и, кроме того, максимальны. Для этого достаточно установить поляроид и призму относительно друг друга на глаз, разглядывая сквозь них отдаленный предмет (лучше всего в виде креста - например, оконный переплет на противоположной стороне улицы) и, поворачивая поляроид до тех пор, пока оба изображения предмета не окажутся одинаково яркими. Рекомендуется при этом держать узел поляроидом к предмету.

2. Дальше правильно ориентировать светоделительные узлы относительно друг друга.

Для этого заметить направление двоения каждого узла. Затем сложить оба узла вместе, призмами внутрь, таким образом, чтобы эти направления совпадали, и снова посмотреть на предмет. Возможны два случая:

а) предмет виден нераздвоенным

б) предмет раздваивается вдвое сильнее

Случаи а) и б) переводятся один в другой поворотом одного из узлов на 1800. Правильной ориентации отвечает второй случай.

В таком положении светоделительные узлы устанавливаются в прибор.

3. После того, как светоделительные узлы выставлены и ориентированы относительно друг друга, приступить к окончательной юстировке интерферометра.

Определить правильное начальное положение светоделительных узлов по отношению к фокальным плоскостям коллиматорного и приемного объективов. (Начальным положениям обоих узлов будем называть такое, при котором в поле интерференции видна бесконечно широкая полоса).

Для этого в фокальной плоскости коллиматора установить щель. Между щелью и источником света поместить поляроид. Установить в прибор приемный светоделительный узел так, чтобы направление двоения его было перпендикулярно щели. Поляроид, стоящий перед щелью, повернуть так, чтобы два изображения рабочего поля казались одинаково яркими. Сузить щель до ширины не более 0.1 мм. Поворотами светоделительного узла добиться появления интерференционной картины. Подвижкой узла вдоль оптической оси установить его так, чтобы в плоскости наблюдения образовалась бесконечно широкая полоса. Затем сместить светоделительный узел перпендикулярно оптической оси в направлении сдвига до получения картины с насыщенной окраской, т.е. полосы приблизительно нулевого порядка.

4. Снять узел щели и установить в прибор, светоделительный узел осветительной части, ориентируя его по отношению к светоделительному узлу приемной части так, как сказано в пункте 2. Слегка разворачивая светоделительный узел осветительной части вокруг оптической оси, добиться появления интерференционной картины. Затем подвижкой этого же узла вновь установить в плоскости наблюдения бесконечно широкую полосу.

5. Светоделительный узел приемной части повернуть так, чтобы сдвиг имел требуемое направление (например, по оси модели или перпендикулярно ей). При этом наблюдать раздвоенное изображение модели либо должным образом ориентированного перекрестия.

6. Светоделительный узел осветительной части повернуть вновь, добиваясь появления интерференционной картины (бесконечно широкой полосы). Поперечной подвижкой приемного осветительного узла получить полосу нулевого порядка.

7. Выполнить заключительные операции - настройку прибора. Ввести светофильтр для монохроматизации излучения и настройте прибор на полосы необходимой ширины и требуемого знака клина интерференции. Это обеспечивается подвижкой светоделительных узлов от начального положения вдоль оптической оси. Их перемещают на одинаковые отрезки навстречу друг другу либо наоборот. Величиной подвижки задается ширина полос, направлением - знак клина интерференции.

8. Фокусировать фотоприставку на выбранную плоскость исследуемого объекта, рассматривать интерференционные полосы на изображении этой плоскости. Если контраст полос неудовлетворителен, то следует повысить его. Для этого светоделительные узлы переместить по оптической оси на равные отрезки в одном направлении и найти для них положение, обеспечивающее наибольший контраст.

9. Убрать светофильтр, и поперечной подвижкой приемного светоделительного узла привести нулевую полосу в требуемое положение.

Юстировка поляризационного интерферометра

Юстировка поляризационного интерферометра чрезвычайно проста и не требует специальных приборов и приспособлений. Ограничимся лишь краткими замечаниями. Юстировка интерферометра должна привести к тому, чтобы в данных условиях интерферограмма имела самые насыщенные цвета (с немонохроматическим источником) или максимальный контраст и самую высокую яркость. Для этого одна призма по отношению к другой должна быть ориентирована таким образом, чтобы происходила компенсация разности хода. Плоскость поляризации поляроидов должна составлять угол 45° с главными сечениями призм. При этом достаточно выставить призмы перпендикулярно к световому пучку простыми механическими средствами. Высокое качество юстировки обеспечивает методика, в которой основным является получение равенства освещенностей двух изображений какого-нибудь предмета, находящегося в рабочем поле интерферометра ("правило равных освещенностей"). По этой методике юстировка компенсационного интерферометра проводится в следующей последовательности:

а) Вторая (по ходу света) призма и первый поляризатор устанавливаются на свои места и, наблюдая удвоение изображения какого-нибудь предмета на пути света, выбирают нужное направление сдвига световых пучков. Затем поворотом поляризатора добиваются равенства освещенностей двух изображений. Это положение и будет соответствовать тому, что плоскость поляризации падающего света составляет 45° с оптическими осями призмы.

б) Ставят на место анализатор и снова получают равенство освещенностей двух изображений. Это, очевидно, произойдет тогда, когда поляроиды будут параллельны или скрещены.

в) Помещают на место первую призму. При вращении этой призмы равенство освещенностей получается в четырех различных положениях. Но компенсация разности хода может происходить только в одном из этих положений. Небольшими и медленными поворотами одной из призм в вертикальной плоскости вблизи положения равенства освещенностей находят интерференционную картину.

Как было показано выше, компенсация разности хода происходит независимо от того, какими поверхностями призмы обращены друг к другу, что на практике очень облегчает юстировку компенсационного интерферометра.

При сравнительно больших угловых сдвигах необходимо соблюдать еще такое условие. Когда юстировку интерферометра проводят с источником белого света, с самого начала призмы должны быть выставлены так, чтобы изображение источника света приходилось на их центральную часть. Только в этом случае начальная разность хода будет мало отличаться от нуля и можно сразу получить интерференционную картину. При настройке на один цвет для уменьшения влияния хроматизма и недостатков изготовления призмы их следует располагать как можно ближе к фокусам светового пучка. После получения интерференционной картины перемещениями призмы вдоль оси светового пучка интерферометр можно настроить на бесконечную полосу или на полосы.

При малых угловых сдвигах нет смысла говорить о месте локализации интерференционных полос: полосы четкие в любой плоскости области переналожения двух пучков. При больших сдвигах полосы локализованы в плоскости, проходящей через мнимые точки пересечения интерферирующих лучей в пространстве предметов. Плоскость локализации полос можно совместить с плоскостью исследуемого объекта изменением соотношения между смещениями z1 и z2.

Несколько слов об элементах конструкции поляризационного интерферометра сдвига по схеме компенсации. Когда интерферометр собирается в лабораторных условиях, то с целью упрощения его конструкции можно снабдить регулировочными винтами только вторую (по ходу луча) призму. При этом регулировочные винты должны обеспечивать смещение призмы перпендикулярно к оси светового пучка с точностью в несколько угловых минут. Для получения достаточно узких полос расфокусировка призмы должна достигать примерно 0.1 фокусного расстояния главных объектов.

5. АВТОКОмПЕНСАЦИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР сДВИГА

В автокомпенсационных интерферометрах свет пересекает исследуемый объект два и более раз. Такие интерферометры лучше приспособлены для исследования слабых оптических неоднородностей.

I. Интерферометр со сферическим зеркалом

Принципы действия автокомпенсационного интерферометра рассмотрим на примере установки со сферическим зеркалом М в качестве главного объектива (рис. 5.1). Призма Волластона W установлена вблизи центра кривизны сферического зеркала.

Световой пучок, идущий от источника S поляризован под углом 45° к оптическим осям  и  призмы. K – конденсор, D – призма полного внутреннего отражения, P1 и P2 – поляроиды. О – проектирующий объектив, Э – экран.

Вычислим начальную разность хода. Рассмотрим общий случай, когда центр кривизны зеркала не расположен в призме ("призма не в центре"). Пусть N – есть точка, в которой ось О пересекает призму. L – длина отрезка СN. Падающий луч в точке A разделяется на два луча 1 и 2. Лучи 1 и 2, образующие между собой угол, падают на зеркало в точках L1 и L2. Затем лучи направляются снова к призме и их мнимые продолжения сходятся в точке A` – изображение точки А по отношению к зеркалу M. На рис. 5.1 L – отрицательная величина. Лучи 1 и 2 пересекают призму второй раз соответственно в точках u1 и u2 и каждый из них отклоняется еще раз на угол q/2. Лучи выходят из призмы слегка расходящимися. В приближении Гаусса можно показать, что мнимые продолжения лучей сходятся на зеркале, в точке L середины L1L2. Лучи 1 и 2 проходят через фокусирующий объектив и сходятся на экране в точке L`, сопряженной с L по отношению к объективу О.

Начальная разность хода D между лучами 1 и 2 после их второго пересечения призмы равна сумме разности db оптических длин в воздухе от точки A до точки L` и разности dn оптических длин в призме. Согласно свойству идеальной оптической системы db=0. Поэтому для получения D достаточно вычислить dn. Пусть u и T есть точки, в которых соответственно прямая LA` и радиус LC пересекает призму. От вершины зеркала направим ось OX перпендикулярно к средней плоскости П призмы. Пусть x– абсцисса плоскости П, x – абсцисса точки L; x(A), x(u) и x(T)= -xx/R - абсциссы точек А, u и T. В соответствии с формулой для разности оптических путей D,

D= q(x-x), (5.1)

Имеем

dm = q[x(A)-x]+ q[x(u)-x].

В приближении Гаусса точка Т находится в середине отрезка Au, следовательно

D = q[x(A)+x(u)-2x] = -2q[x-x(T)] = -2q(x+zx/R). (5.2)

Этот результат не зависит от направления оси Ox. Разность хода в точке L` или в точке L не зависит от положения точки А в призме, т. е. положения светящейся точки источника. С широким источником света имеем, следовательно, полосы, локализованные на зеркале. Так как D зависит лишь от x, то полосы прямолинейны и перпендикулярны Ox.

Когда призма находится не в центре z¹0, то интерферометр настроен на полосы конечной ширины. Когда z=0, разность хода D постоянна по всему полю наблюдения. С немонохроматическим источником за анализатором наблюдается однородный свет. Цвет зависит от положения средней плоскости призмы. Следовательно, когда "призма в центре", интерферометр настроен на бесконечную полосу.

Исследуемый объект помещается перед зеркалом как можно ближе к нему. Основным недостатком интерферометра со сферическим зеркалом является то, что исследуемый объект находится в непараллельном световом пучке. Несовпадение светового пучка с самим собой при падении его на зеркало и после отражения от него может быть устранено использованием полупрозрачного зеркала за счет значительного (примерно в 4 раза) уменьшения освещенности.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5