7. Интерферометр Рэлея

ПНТЕРФЕРОМЕТР РЭЛЕЯ (интерференционный рефрактометр) - интерферометр для измерения показатели преломления, основанный па явлении дифракции света на двух параллельных щелях. Схема Интерферометра Рэлея представлена па (рис.10.) в вертикальной и горизонтальной проекциях.

Ярко освещённая щель малой ширины S служит источником света, расположенным в фокальной плоскости объектива О 1 . Параллельный пучок лучей, выходящий из О 1 , проходит диафрагму D с двумя параллельными щелями и трубки R 1 и R 2 , в которые вводятся исследуемые газы или жидкости. Трубки имеют одинаковые длины и занимают только верхнюю половину пространства между О 1 и объективом зрительной трубы О 2 . В результате интерференции света, дифрагирующего на щелях диафрагмы D, в фокальной плоскости объектива О 2 вместо изображении щели S образуются две системы интерференционных полос, схематически показанные на рис.10. Верхняя система полос образуется лучами, проходящими через трубки R 1 и R 2 , а нижняя -- лучами, идущими мимо них. Интерференционные полосы наблюдаются с помощью короткофокусного цилиндрического окуляра О 3 . В зависимости от разности показателей преломления n 1 и n 2 веществ, помещенных в R 1 и R 2 , верхняя система полос будет смещена в ту или иную сторону. Измеряя величину этого смешения, можно вычислить n 1 - n 2 . Нижняя система полос неподвижна, и от неё отсчитывают перемещения верхней системы. При освещении щели S белым светом центральные полосы обеих интерференционных картин являются ахроматическими, а полосы, расположенные справа и слева от них, окрашены. Это облегчает обнаружение центральных полос. Измерение перемещения верхней системы полос осуществляется применением компенсатора, который вводит между лучами, проходящими через R 1 и R 2 , дополнительную разность фаз до совмещения верхних и нижних систем полос. С помощью интерферометра Рэлея достигается весьма высокая точность измерения до 7- го и даже 8-го десятичного знака. Интерферометр Рэлея применяется для обнаружения малых примесей в воздухе, в воде, для анализа рудничного и печного газов и для других целей.

Ультразвуковой интерферометр - прибор для измерения фазовой скорости и коэффициента поглощения, принцип действия которого основан на интерференции акустических волн. Типичный Ультразвуковой интерферометр (рис...

Интерферометры и их применение

Интерферометр Жамена (интерференционный рефрактометр) -- интерферометр для измерения показателей преломления газов и жидкостей, а также для определения концентрации примесей в воздухе. Интерферометр Жамена (рис.3...

Интерферометры и их применение

ИНТЕРФЕРОМЕТР ЗВЁЗДНЫЙ -- интерферометр для измерения угловых размеров звёзд и углового расстояний между двойными звёздами. Если угловое расстояние между двумя звездами очень мало, в телескоп они видны как одна звезда...

Интерферометры и их применение

ИНТЕРФЕРОМЕТР ИНТЕНСИВНОСТИ -- устройство, в котором измеряется коэффициент корреляции интенсивности излучения, принимаемого в двух разнесённых точках...

Интерферометры и их применение

Интерферометр Майкельсона является одной из наиболее распространенных скелетных схем интерферометра, предназначенной для различных применений в случае, когда пространственное совмещение объектов, порождающих интерферирующие волны...

Интерферометры и их применение

Интерферометр Рождественского - это двухлучевой интерферометр, состоящий из 2-х зеркал M1 , M2 и двух параллельных полупрозрачных пластин P1 , P2 (Рис.8.); M1, P1 и M2, P2 устанавливаются попарно параллельно...

Интерферометры и их применение

ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО -- многолучевой интерференционный спектральный прибор с двумерной дисперсией, обладающий высокой разрешающей способностью. Используется как прибор с пространственным разложением излучения в спектр и фотогр...

Квантовая оптика

Из рассмотрения законов Стефана - Больцмана и Вина следует, что термодинамический подход к решению задача о нахождении универсальной функции Кирхгофа r?,T не дал желаемых результатов...

Развитие взглядов на природу света. Явление интерференции света

Естественно, что принцип интерференции можно применять при наблюдении не только бактерий, но и при наблюдении звёзд. Это настолько очевидно...

Теория голубого неба

Каких только гипотез не выдвигалось в разное время для объяснения цвета неба. Наблюдая, как дым на фоне темного камина приобретает синеватый цвет, Леонардо да Винчи писал: „...светлота поверх темноты становится синей, тем более прекрасной...

Схема интерферометра Рэлея

Интерферо́метр Рэле́я - однопроходной двулучевой интерферометр , разделяющий свет от источника на два потока, разница фаз между которыми создаётся пропусканием света сквозь две одинаковые кюветы , заполненные разными газами . Впервые был предложен лордом Рэлеем в 1886 году. Использовался для определения показателей преломления газов.

Принципиальная схема

Свет от источника пропускается через линзу , создающую параллельный пучок и апертуры , вырезающие из него два луча (плечи интерферометра). Каждый из лучей проходит сквозь собственную кювету с газом. На выходе схемы расположена линза, сводящая оба пучка вместе для получения интерференционных полос в её фокусе .

Для измерений в одно из плеч вносится компенсатор - например, стеклянная пластинка, с помощью поворота которой можно изменять оптическую длину пути луча в плече. Если показатель преломления в одном из плеч равен n , то второй неизвестный показатель преломления равен

n ′ = n + λ 0 ℓ Δ m , {\displaystyle n"=n+{\frac {\lambda _{0}}{\ell }}\Delta m,}

где ℓ {\displaystyle \ell } - длина кюветы с газом, λ 0 {\displaystyle \lambda _{0}} - длина волны источника света, Δ m {\displaystyle \Delta m} - порядок интерференции (количество пересекающихся в заданной точке интерференционных полос). При типичных параметрах установки - длине кювет в один метр, длине волны в 550 нм и порядке интерференции 1/40, - можно измерить разницу показателей преломления, равную 10 −8 . Чувствительность интерферометра определяется длиной кюветы. Её максимальная длина, как правило, определяется техническими возможностями контроля за температурой, так как тепловые

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики

Определение концентрации растворов с помощью интерферометра рэлея

Методические указания к лабораторной работе № 12

по физике

(Раздел «Оптика»)

Ростов-на-Дону 2011

Составители: д.т.н., проф. С.И. Егорова,

к.т.н., доц. И.Н. Егоров,

к.ф.-м.н., доц. Г.Ф. Лемешко.

«Определение концентрации растворов с помощью интерферометра Рэлея»: Метод. указания. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011. - 8 с.

Печатается по решению методической комиссии факультета «Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор проф., д.т.н. В.С. Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2011

Цель работы: 1. Изучить принцип действия интерферометра Рэлея.

2. Изучить явления интерференции при помощи интерферометра Релея.

3. Определить концентрацию этилового спирта в воде.

Оборудование: Интерферометр Рэлея, кюветы с исследуемыми растворами.

Краткая теория

Интерференция – это наложение когерентных волн, при котором происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности света.

Когерентными называются волны одинаковой частоты и постоянной разности фаз. Для получения когерентных волн необходимо разделить световой луч, исходящий из одного источника.

Интерференционную картину можно получить с помощью прибора ИТР-1, в основу которого положена схема интерферометра Рэлея, в котором интерференционная картина получается от двух когерентных световых пучков, прошедших через две параллельные щели (рис.1).

Свет от источника 1 (лампочка накаливания) собирается с помощью конденсора на щели 2 , находящейся в фокальной плоскости объектива коллиматора 3 . Параллельный пучок лучей, выходящих из объектива, разделяется двумя щелями диафрагмы 4 . Эти щели можно рассматривать как два источника вторичных световых волн, которые являются когерентными.

Когерентные световые пучки проходят через объектив 6 , причём, верхняя часть пучков проходит через кюветы 5 (рис.1), а нижняя – непосредственно направляется в объектив. В результате в фокальной плоскости объектива происходит интерференция двух пар когерентных пучков. Интерференционная картина, образовавшаяся от двух щелей, представляет собой систему темных и светлых полос. Положение темной (условие минимума) или светлой (условие максимума) полосы определяется оптической разностью хода интерферирующих лучей:

- условие максимума, (1)

- условие минимума, (2)

где - оптическая разность хода, которая равна разности оптических длин путей, т.е.
, (3)

здесь
- показатели преломления,
- пути, пройденные светом,-длина волны света,
- порядок максимума или минимума.

Наблюдение ведётся через окуляр 7 (рис.1).

Интерференционная картина представлена на рис.2. Лучи, проходящие мимо кювет, образуют нижнюю интерференционную картину, а лучи, проходящие через кюветы – верхнюю. Дополнительная разность хода лучей в кюветах вызывает смещение верхней системы относительно нижней. Если заполнить кюветы газами или жидкостями с разными показателями преломления, то появится дополнительная разность хода, определяемая формулой (3).

С помощью компенсационного устройства системы полос можно совместить (рис. 3).

В данной работе кюветы одинаковой длины (). В одной из них находится дистилированная вода, а в другой – раствор этилового спирта в воде. Поэтому дополнительная разность хода лучей:

, (4)

где - длина кюветы,
- показатели преломления раствора и дистилированной воды соответственно.

Интерферометр Рэлея

ПНТЕРФЕРОМЕТР РЭЛЕЯ (интерференционный рефрактометр) - интерферометр для измерения показатели преломления, основанный па явлении дифракции света на двух параллельных щелях. Схема Интерферометра Рэлея представлена па (рис.10.) в вертикальной и горизонтальной проекциях.

Ярко освещённая щель малой ширины S служит источником света, расположенным в фокальной плоскости объектива О 1 . Параллельный пучок лучей, выходящий из О 1 , проходит диафрагму D с двумя параллельными щелями и трубки R 1 и R 2 , в которые вводятся исследуемые газы или жидкости. Трубки имеют одинаковые длины и занимают только верхнюю половину пространства между О 1 и объективом зрительной трубы О 2 . В результате интерференции света, дифрагирующего на щелях диафрагмы D, в фокальной плоскости объектива О 2 вместо изображении щели S образуются две системы интерференционных полос, схематически показанные на рис.10. Верхняя система полос образуется лучами, проходящими через трубки R 1 и R 2 , а нижняя -- лучами, идущими мимо них. Интерференционные полосы наблюдаются с помощью короткофокусного цилиндрического окуляра О 3 . В зависимости от разности показателей преломления n 1 и n 2 веществ, помещенных в R 1 и R 2 , верхняя система полос будет смещена в ту или иную сторону. Измеряя величину этого смешения, можно вычислить n 1 - n 2 . Нижняя система полос неподвижна, и от неё отсчитывают перемещения верхней системы. При освещении щели S белым светом центральные полосы обеих интерференционных картин являются ахроматическими, а полосы, расположенные справа и слева от них, окрашены. Это облегчает обнаружение центральных полос. Измерение перемещения верхней системы полос осуществляется применением компенсатора, который вводит между лучами, проходящими через R 1 и R 2 , дополнительную разность фаз до совмещения верхних и нижних систем полос. С помощью интерферометра Рэлея достигается весьма высокая точность измерения до 7- го и даже 8-го десятичного знака. Интерферометр Рэлея применяется для обнаружения малых примесей в воздухе, в воде, для анализа рудничного и печного газов и для других целей.

Интерферометр Фабри - Перо

ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО -- многолучевой интерференционный спектральный прибор с двумерной дисперсией, обладающий высокой разрешающей способностью. Используется как прибор с пространственным разложением излучения в спектр и фотогр. регистрацией и как сканирующий прибор с фотоэлектрической регистрацией. Интерферометр Фабри-Перо представляет собой плоскопараллельный слой из оптически однородного прозрачного материала, ограниченный отражающими плоскостями. Наиболее широко применяемый воздушный интерферометр Фабри-Перо состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок, расположенных на некотором расстоянии d друг от друга (Рис.11.). На обращённые друг к другу плоскости (изготовленные с точностью до 0.01 длины волны) нанесены высокоотражающие покрытия. интерферометр Фабри-Перо располагается между коллиматорами; в фокальной плоскости входного коллиматора устанавливается освещённая диафрагма, служащая источником света для интерферометра Фабри-Перо. Плоская волна, падающая на интерферометр Фабри-Перо в результате многократных отражений от зеркал и частичною выхода после каждого отражения разбивается на большое число плоских когерентных волн, отличающихся по амплитуде и по фазе. Амплитуда когерентных воли убывает но закону геометрической прогрессии, а разность хода между каждой соседней парой когерентных воли, идущих, в данном направлении, постоянна и равна

где п -- показатель преломления среды между зеркалами (для воздуха n=1), и- угол между лучом и нормалью к зеркалам. Пройдя через объектив выходного коллиматора, когерентные волны интерферируют в его фокальной плоскости F и образуют пространственную интерференционную картину и в виде колец равного наклона (рис. 12.). Распределение интенсивности (освещённости) в интерференционной картине описывается выражением

I =ф k BTу/f 2 2 ,

где B - яркость источника, ф к -- коэффициент пропускания объективов коллиматоров. у - площадь сечения осевого параллельного пучка, f 2 - фокусное расстояние объектива выходного коллиматора, Т - функция пропускания интерферометра Фабри-Перо.

T= T макс (1+з 2 sin 2 k?) -1

Где T макс = , k = 2р/л

з = 2/(1- с), ф, с и a - соответственно коэффициент пропускания, отражения и поглощения зеркал, причем ф+ с+a=1.

Функция пропускания Т, а следовательно, и распределения интенсивности имеет осциллирующий характер с резкими максимумами интенсивности (рис. 13), положение которых определяется из условия

где т (целое число) - порядок спектра, л -- длина волны. Посредине между соседними максимумами функция Т имеет минимумы

Поскольку положение интерференционных максимумов зависит от угла и и равного ему угла ч выхода лучей из второй стеклянной пластинки, то интерференционная картина имеет форму концентрических колец (рис.12.), определяемых из условия, локализованных в области геометрического изображения входной диаграммы (рис.11).

Радиус этих колец равен, откуда следует, что при m = const имеется однозначная зависимость между r т и л и, следовательно, интерферометр Фабри-Перо производит пространственное разложение излучения в спектр. Линейное расстояние между максимумами соседних колец и ширина этих колец (рис.13.) уменьшаются с увеличением радиуса, т. е. с увеличением r т интерференционные кольца становятся уже и сгущаются. Ширина колец?r зависит также от коэффициента отражения с и уменьшается с увеличением с.

Светосила реального Интерферометра Фабри-Перо в несколько сотен раз больше светосилы дифракционного спектрометра при равной разрешающей способности, что является его преимуществом. Так как интерферометр Фабри-Перо, обладая высокой разрешающей силой, имеет очень маленькую область дисперсии, то при работе с ним необходима предварительная монохроматизация, чтобы ширина исследуемого спектра была меньше?л. Для этой цели применяют часто приборы скрещенной дисперсии, сочетая интерферометр Фабри-Перо с призменным или дифракционным спектрографом так, чтобы направления дисперсий Интерферометра Фабри-Перо и спектрографа были взаимно перпендикулярны. Иногда для увеличения области дисперсии используют систему из двух поставленных друг за другом Интерферометров Фабри-Перо с различной величиной расстояния d, так чтобы их отношение d 1 /d 2 равнялось целому числу. Тогда область дисперсии?л определяется более «тонким» Интерферометром Фабри-Перо, а разрешающая сила -- более «толстым». При установке двух одинаковых Интерферометров Фабри-Перо увеличивается разрешающая сила и повышается контраст интерференционной картины.

Интерферометры Фабри-Перо широко применяются в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасных областях спектра при исследовании тонкой и сверхтонкой структуры спектральных линий, для исследования модовой структуры излучения лазеров и т. п. Интерферометр Фабри-Перо также используется как резонатор в лазерах.