7. Interferometr Rayleigha

INTERFEROMETR RAYLeigha (refraktometr interferencyjny) - interferometr do pomiaru współczynników załamania światła, oparty na zjawisku dyfrakcji światła na dwóch równoległych szczelinach. Schemat interferometru Rayleigha przedstawiono na (Rys. 10) w rzucie pionowym i poziomym.

Jako źródło światła umieszczone w płaszczyźnie ogniskowej soczewki O 1 służy jasno oświetlona szczelina o małej szerokości S. Równoległa wiązka promieni wychodzących z O 1 przechodzi przez przesłonę D z dwiema równoległymi szczelinami i rurkami R 1 i R 2, do których wprowadzane są badane gazy lub ciecze. Tubusy mają tę samą długość i zajmują tylko górną połowę przestrzeni pomiędzy O 1 a soczewką teleskopu O 2. W wyniku interferencji światła uginającego się na szczelinach przysłony D, w płaszczyźnie ogniskowej soczewki O 2, zamiast obrazu szczeliny S powstają dwa układy prążków interferencyjnych, schematycznie pokazane na rys. 10 . Górny układ pasków tworzą promienie przechodzące przez rurki R 1 i R 2, a dolny – promienie przechodzące obok nich. Prążki interferencyjne obserwuje się za pomocą cylindrycznego okularu o krótkiej ogniskowej O 3 . W zależności od różnicy współczynników załamania światła n 1 i n 2 substancji umieszczonych w R 1 i R 2, górny układ pasm zostanie przesunięty w tę czy inną stronę. Mierząc wielkość tego mieszania, można obliczyć n 1 - n 2. Dolny układ pasków jest nieruchomy i od niego mierzone są ruchy układu górnego. Kiedy szczelina S zostanie oświetlona światłem białym, środkowe paski obu wzorów interferencyjnych są achromatyczne, a paski znajdujące się po ich prawej i lewej stronie są kolorowe. Ułatwia to wykrycie środkowych pasków. Pomiar ruchu górnego układu pasków odbywa się za pomocą kompensatora, który wprowadza dodatkową różnicę fazową pomiędzy promieniami przechodzącymi przez R 1 i R 2, aż do połączenia górnego i dolnego układu pasków. Stosując interferometr Rayleigha, osiąga się bardzo wysoką dokładność pomiaru do 7, a nawet 8 miejsca po przecinku. Interferometr Rayleigha służy do wykrywania małych zanieczyszczeń w powietrzu, wodzie, do analizy gazów kopalnianych i piecowych oraz do innych celów.

Interferometr ultradźwiękowy jest urządzeniem do pomiaru prędkości fazowej i współczynnika absorpcji, którego zasada działania opiera się na interferencji fal akustycznych. Typowy interferometr ultradźwiękowy (ryc....

Interferometry i ich zastosowania

Interferometr Jamin (refraktometr interferencyjny) jest interferometrem służącym do pomiaru współczynników załamania światła gazów i cieczy, a także do oznaczania stężenia zanieczyszczeń w powietrzu. Interferometr Jamina (rys. 3...

Interferometry i ich zastosowania

INTERFEROMETR GWIAZDOWY - interferometr do pomiaru rozmiarów kątowych gwiazd i odległości kątowych pomiędzy podwójne gwiazdy. Jeśli odległość kątowa między dwiema gwiazdami jest bardzo mała, w teleskopie są one widoczne jako jedna gwiazda...

Interferometry i ich zastosowania

INTERFEROMETR INTENSYWNOŚCI - urządzenie, w którym mierzony jest współczynnik korelacji natężenia promieniowania odbieranego w dwóch oddalonych od siebie punktach...

Interferometry i ich zastosowania

Interferometr Michelsona jest jednym z najpopularniejszych projektów interferometrów szkieletowych różne zastosowania w przypadku, gdy przestrzenna kombinacja obiektów generujących fale zakłócające...

Interferometry i ich zastosowania

Interferometr Rozhdestvensky'ego to interferometr dwuwiązkowy składający się z 2 zwierciadeł M1, M2 i dwóch równoległych półprzezroczystych płytek P1, P2 (ryc. 8.); M1, P1 i M2, P2 są instalowane parami równolegle...

Interferometry i ich zastosowania

INTERFEROMETR FABRY-PEROT jest wielowiązkowym urządzeniem do widma interferencyjnego z dwuwymiarową dyspersją, charakteryzującym się dużą rozdzielczością. Stosowany jest jako urządzenie z przestrzennym rozkładem promieniowania na widmo i foto...

Optyka kwantowa

Z rozważenia praw Stefana-Boltzmanna i Wiena wynika, że ​​termodynamiczne podejście do rozwiązania problemu znalezienia uniwersalnej funkcji Kirchhoffa r?,T nie dało pożądanych rezultatów...

Rozwój poglądów na naturę światła. Zjawisko interferencji światła

Oczywiście zasadę interferencji można zastosować nie tylko podczas obserwacji bakterii, ale także gwiazd. To takie oczywiste...

Teoria błękitnego nieba

W jakich hipotezach nie postawiono różne czasy wyjaśnić kolor nieba. Obserwując, jak dym na tle ciemnego kominka nabiera niebieskawej barwy, Leonardo da Vinci napisał: „...światło na szczycie ciemności staje się niebieskie, tym piękniejsze...

Interferometr Rayleigha

Ożywienie

Opis

Interferometr Rayleigha jest jednym z urządzeń interferencyjnych najbardziej czułych na różnicę w wtargnięciach fazowych fal, co pozwala na jego zastosowanie do dokładnego wyznaczania współczynników załamania gazów pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego (przy tym ciśnieniu odpowiedni współczynnik załamania różni się od jedność na czwartym lub piątym miejscu po przecinku).

Schematyczne przedstawienie konstrukcji interferometru Rayleigha pokazano na ryc. 1.

Schematyczna ilustracja projektu interferometru Rayleigha

Ryż. 1

Wiązka światła z niemal punktowego źródła S, znajdującego się w ognisku soczewki, jest przez nią przekształcana w wiązkę równoległą. Dalej za soczewką znajduje się przysłona z dwoma otworami symetrycznymi względem głównej osi układu – źródłami wtórnymi S 1 i S 2, tworzącymi dwie równoległe cienkie wiązki. Wiązki te są następnie skupiane przez drugą soczewkę na ekranie umieszczonym w jej płaszczyźnie ogniskowej. Rezultatem jest wzór interferencyjny poziomych prążków, jak pokazano na rysunku. W tym przypadku przy braku dodatkowych obiektów o współczynnikach załamania n 1 (ogniwo z badanym gazem) i n 2 (kompensator przesunięcia fazowego ze znanym kontrolowanym przesunięciem fazowym promieniowania optycznego) wzdłuż propagacji wiązki między soczewkami, zero maksimum wzoru interferencji leży na osi układu. Maksimum zerowe jest maksimum odpowiadającym zerowej różnicy dróg fal D tworzących wzór interferencji. W przypadku stosowania promieniowania szerokopasmowego (na przykład światła naturalnego) można je łatwo odróżnić od maksimów wyższego rzędu m:

D = m l 0,

gdzie l 0 jest środkową długością fali widma promieniowania.

Rzeczywiście łatwo zrozumieć, że jako jedyny ma pierwotną białą barwę, natomiast maksima wyższych rzędów są „rozciągnięte w widmie” ze względu na to, że warunki maksymalne osiągane są przy różnych przemieszczeniach od środka obraz dla różnych długości fal widma wiązki.

Jeśli teraz wprowadzimy do dwóch wiązek propagujących w przestrzeni międzysoczewkowej (tzw. ramion interferometru) komórkę o długości L z badanym gazem n 1 i kontrolowanym opóźnieniem optycznym n 2 (np. ta sama komórka z gazem którego współczynnik załamania światła zależy od ciśnienia), wówczas wiązki otrzymają dodatkową różnicę dróg:

re 1 = L(n 2 - n 1).

W ten sposób prążek zerowy wzoru interferencyjnego przesunie się, a środek pola nabierze koloru.

Aby „przywrócić obraz na swoje miejsce”, konieczne jest wyrównanie współczynników załamania światła gazu testowego i gazu odniesienia w dwóch kuwetach, co osiąga się poprzez zmianę ciśnienia tego ostatniego. W rezultacie, przywracając centralność zerowego „białego” pasma (a można to zrobić z dużą dokładnością, około 1/40 pasma, D m × 1/40), uzyskujemy dokładną informację o współczynniku załamania światła badanego gazu. Przyrządy rzeczywiste, wykonane w oparciu o obwód interferometru Rayleigha, umożliwiają pomiar różnic współczynnika załamania światła od jedności za pomocą wzoru:

(n-1)= l 0 re m/l » 10 -8 .

Charakterystyka czasowa

Czas inicjacji (log do -8 do -7);

Czas życia (log tc od -7 do 15);

Czas degradacji (log td od -8 do -7);

Czas optymalnego rozwoju (log tk od -6 do -5).

Diagram:

Techniczne wdrożenia efektu

FEDERALNA AGENCJA EDUKACJI

PAŃSTWOWA INSTYTUCJA EDUKACYJNA WYŻSZEGO SZKOLNICTWA ZAWODOWEGO

UNIWERSYTET TECHNICZNY DON PAŃSTWA

Wydział Fizyki

Wyznaczanie stężeń roztworów za pomocą interferometru Rayleigha

Wytyczne pracy laboratoryjnej № 12

w fizyce

(Rozdział „Optyka”)

Rostów nad Donem 2011

Opracował: doktor nauk technicznych, prof. SI. Jegorow,

Doktor, profesor nadzwyczajny W. Jegorow,

Doktor, profesor nadzwyczajny G.F. Łemeszko.

„Oznaczanie stężenia roztworów za pomocą interferometru Rayleigha”: Metoda. instrukcje. - Rostów n/a: Centrum wydawnicze DSTU, 2011. - 8 s.

Opublikowano decyzją komisji metodycznej wydziału „Nanotechnologie i Materiały Kompozytowe”

Redaktor naukowy prof., doktor nauk technicznych V.S. Kunakow

© Centrum Wydawnicze DSTU, 2011

Cel pracy: 1. Przestudiować zasadę działania interferometru Rayleigha.

2. Badać zjawiska interferencji za pomocą interferometru Rayleigha.

3. Określ stężenie alkoholu etylowego w wodzie.

Sprzęt: Interferometr Rayleigha, kuwety z roztworami testowymi.

Krótka teoria

Ingerencja - jest to superpozycja fal spójnych, w której następuje przestrzenna redystrybucja strumienia świetlnego, w wyniku czego w jednych miejscach pojawiają się maksima, a w innych minima natężenia światła.

Zgodny nazywa się fale o tej samej częstotliwości i stałej różnicy faz. Aby uzyskać spójne fale, konieczne jest rozszczepienie wiązki światła pochodzącej z jednego źródła.

Obraz interferencyjny można uzyskać za pomocą urządzenia ITR-1, którego podstawą jest obwód interferometru Rayleigha, w którym wzór interferencyjny uzyskuje się z dwóch spójnych wiązek światła przechodzących przez dwie równoległe szczeliny (rys. 1).

Światło ze źródła 1 (żarówka) zbiera się za pomocą kondensatora na szczelinie 2 , znajdujący się w płaszczyźnie ogniskowej soczewki kolimatora 3 . Równoległa wiązka promieni wychodzących z soczewki jest oddzielona dwiema szczelinami przysłony 4 . Szczeliny te można uznać za dwa źródła wtórnych fal świetlnych, które są spójne.

Przez soczewkę przechodzą spójne wiązki światła 6 , a górna część wiązek przechodzi przez kuwety 5 (ryc. 1), a dolny jest skierowany bezpośrednio w stronę obiektywu. W efekcie w płaszczyźnie ogniskowej soczewki dochodzi do interferencji dwóch par spójnych wiązek. Wzór interferencyjny utworzony z dwóch szczelin to układ ciemnych i jasnych pasów. Położenie ciemnego (warunek minimalny) lub jasnego (warunek maksymalny) pasma jest określone przez optyczną różnicę w drodze promieni zakłócających:

- stan maksymalny, (1)

- warunek minimalny, (2)

Gdzie - różnica dróg optycznych, która jest równa różnicy długości dróg optycznych, tj.
, (3)

Tutaj
- współczynniki załamania światła,
- ścieżki, którymi przemierza światło, - długość fali światła,
- rząd maksimum lub minimum.

Obserwację prowadzi się przez okular 7 (ryc. 1).

Wzór interferencji pokazano na ryc. 2. Promienie przechodzące przez kuwety tworzą dolny wzór interferencyjny, a promienie przechodzące przez kuwety tworzą górny. Dodatkowa różnica w drodze promieni w kuwetach powoduje przemieszczenie układu górnego względem dolnego. Jeżeli kuwety zostaną wypełnione gazami lub cieczami o różnych współczynnikach załamania światła, pojawi się dodatkowa różnica dróg, określona wzorem (3).

Za pomocą urządzenia kompensacyjnego można łączyć systemy listew (rys. 3).

W tej pracy kuwety mają tę samą długość ( ). Jeden z nich zawiera wodę destylowaną, a drugi roztwór alkoholu etylowego w wodzie. Dlatego dodatkowa różnica w drodze promieni wynosi:

, (4)

Gdzie - długość kuwety,
są współczynnikami załamania światła odpowiednio roztworu i wody destylowanej.

Interferometr Rayleigha

INTERFEROMETR RAYLeigha (refraktometr interferencyjny) - interferometr do pomiaru współczynników załamania światła, oparty na zjawisku dyfrakcji światła na dwóch równoległych szczelinach. Schemat interferometru Rayleigha przedstawiono na (Rys. 10) w rzucie pionowym i poziomym.

Jako źródło światła umieszczone w płaszczyźnie ogniskowej soczewki O 1 służy jasno oświetlona szczelina o małej szerokości S. Równoległa wiązka promieni wychodzących z O 1 przechodzi przez przesłonę D z dwiema równoległymi szczelinami i rurkami R 1 i R 2, do których wprowadzane są badane gazy lub ciecze. Tubusy mają tę samą długość i zajmują tylko górną połowę przestrzeni pomiędzy O 1 a soczewką teleskopu O 2. W wyniku interferencji światła uginającego się na szczelinach przysłony D, w płaszczyźnie ogniskowej soczewki O 2, zamiast obrazu szczeliny S powstają dwa układy prążków interferencyjnych, schematycznie pokazane na rys. 10 . Górny układ pasków tworzą promienie przechodzące przez rurki R 1 i R 2, a dolny – promienie przechodzące obok nich. Prążki interferencyjne obserwuje się za pomocą cylindrycznego okularu o krótkiej ogniskowej O 3 . W zależności od różnicy współczynników załamania światła n 1 i n 2 substancji umieszczonych w R 1 i R 2, górny układ pasm zostanie przesunięty w tę czy inną stronę. Mierząc wielkość tego mieszania, można obliczyć n 1 - n 2. Dolny układ pasków jest nieruchomy i od niego mierzone są ruchy układu górnego. Kiedy szczelina S zostanie oświetlona światłem białym, środkowe paski obu wzorów interferencyjnych są achromatyczne, a paski znajdujące się po ich prawej i lewej stronie są kolorowe. Ułatwia to wykrycie środkowych pasków. Pomiar ruchu górnego układu pasków odbywa się za pomocą kompensatora, który wprowadza dodatkową różnicę fazową pomiędzy promieniami przechodzącymi przez R 1 i R 2, aż do połączenia górnego i dolnego układu pasków. Stosując interferometr Rayleigha, osiąga się bardzo wysoką dokładność pomiaru do 7, a nawet 8 miejsca po przecinku. Interferometr Rayleigha służy do wykrywania małych zanieczyszczeń w powietrzu, wodzie, do analizy gazów kopalnianych i piecowych oraz do innych celów.

Interferometr Fabry’ego-Pérota

INTERFEROMETR FABRY-PEROT jest wielowiązkowym urządzeniem do widma interferencyjnego, charakteryzującym się dwuwymiarową dyspersją i wysoką rozdzielczością. Stosowany jako urządzenie z przestrzennym rozkładem promieniowania na widmo i fotogr. rejestracji oraz jako urządzenie skanujące z rejestracją fotoelektryczną. Interferometr Fabry'ego-Perota jest płasko-równoległą warstwą optycznie jednorodnego przezroczystego materiału, ograniczoną płaszczyznami odblaskowymi. Najszerzej stosowany powietrzny interferometr Fabry’ego-Perota składa się z dwóch płytek szklanych lub kwarcowych umieszczonych w pewnej odległości d od siebie (rys. 11.). Na zwrócone do siebie płaszczyzny nanoszone są powłoki wysokoodblaskowe (wykonane z dokładnością do 0,01 długości fali). interferometr Fabry'ego-Perota znajduje się pomiędzy kolimatorami; W płaszczyźnie ogniskowej kolimatora wejściowego zainstalowana jest podświetlana przesłona, która służy jako źródło światła dla interferometru Fabry-Perot. Fala płaska, padający na interferometr Fabry'ego-Perota w wyniku wielokrotnych odbić od zwierciadeł i częściowego sygnału wyjściowego po każdym odbiciu, jest podzielony na dużą liczbę płaskich spójnych fal, które różnią się amplitudą i fazą. Amplituda spójnych woli maleje zgodnie z prawem postępu geometrycznego, a różnica w drodze pomiędzy każdą sąsiednią parą spójnych woli poruszających się w danym kierunku jest stała i równa

gdzie n jest współczynnikiem załamania ośrodka pomiędzy zwierciadłami (dla powietrza n=1) i jest kątem pomiędzy wiązką a normalną do zwierciadeł. Po przejściu przez soczewkę kolimatora wyjściowego fale spójne interferują w jego płaszczyźnie ogniskowej F i tworzą przestrzenny wzór interferencyjny w postaci pierścieni o jednakowym nachyleniu (rys. 12.). Rozkład natężenia (oświetlenia) we wzorze interferencyjnym opisuje wyrażenie

I =f k BTу/f 2 2,

gdzie B to jasność źródła, f k to przepuszczalność soczewek kolimatora. y to pole przekroju poprzecznego osiowej wiązki równoległej, f 2 to ogniskowa soczewki kolimatora wyjściowego, T to funkcja transmisji interferometru Fabry'ego-Perota.

T= T max (1+з 2 sin 2 k?) -1

Gdzie Tmax = , k = 2r/l

z = 2/(1- c), f, c i a to odpowiednio współczynniki przepuszczalności, odbicia i absorpcji zwierciadeł, a f + c + a = 1.

Funkcja transmisji T, a co za tym idzie rozkład natężenia, ma charakter oscylacyjny z ostrymi maksimami natężenia (rys. 13), których położenie wyznacza się z warunku

gdzie m (liczba całkowita) to rząd widma, l to długość fali. W środku pomiędzy sąsiednimi maksimami funkcja T ma minima

Od stanowiska maksima interferencji zależy od kąta i równego kąta h wyjścia promieni z drugiej płyty szklanej, wówczas obraz interferencyjny ma postać koncentrycznych pierścieni (rys. 12), wyznaczanych na podstawie warunku zlokalizowanego w obszarze obrazu geometrycznego diagramu wejściowego (rys. 11).

Promień tych pierścieni jest równy, co oznacza, że ​​przy m = const istnieje jednoznaczna zależność pomiędzy r m i r i dlatego interferometr Fabry'ego-Perota powoduje przestrzenny rozkład promieniowania na widmo. Odległość liniowa pomiędzy maksimami sąsiednich pierścieni oraz szerokość tych pierścieni (rys. 13.) zmniejszają się wraz ze wzrostem promienia, tj. wraz ze wzrostem r t pierścienie interferencyjne stają się węższe i gęstsze. Szerokość pierścieni Δr zależy również od współczynnika odbicia c i maleje wraz ze wzrostem c.

Współczynnik apertury prawdziwego interferometru Fabry-Perota jest kilkaset razy większy niż współczynnik apertury spektrometru dyfrakcyjnego o jednakowej rozdzielczości, co jest jego zaletą. Ponieważ interferometr Fabry'ego-Perota, posiadający wysoką zdolność rozdzielczą, ma bardzo mały obszar dyspersji, podczas pracy z nim konieczna jest wstępna monochromatyzacja, aby szerokość badanego widma była mniejsza. W tym celu często stosuje się przyrządy z dyspersją krzyżową, łączące interferometr Fabry'ego-Perota ze spektrografem pryzmatycznym lub dyfrakcyjnym tak, aby kierunki dyspersji interferometru Fabry'ego-Perota i spektrografu były wzajemnie prostopadłe. Czasami w celu zwiększenia obszaru dyspersji stosuje się układ dwóch interferometrów Fabry'ego-Perota umieszczonych jeden za drugim w różnych odległościach d, tak aby ich stosunek d 1 / d 2 był równy liczbie całkowitej. Następnie obszar dyspersji wyznacza się za pomocą „cieńszego” interferometru Fabry’ego-Perota, a zdolność rozdzielczą określa się za pomocą „grubszego”. Po zainstalowaniu dwóch identycznych interferometrów Fabry-Perot zwiększa się zdolność rozdzielcza i zwiększa się kontrast obrazu interferencyjnego.

Interferometry Fabry-Perota są szeroko stosowane w ultrafiolecie, świetle widzialnym i regiony podczerwieni widma podczas badania drobnej i ultradrobnej struktury linii widmowych, badania struktury modowej promieniowania laserowego itp. Interferometr Fabry-Perot jest również stosowany jako rezonator w laserach.