Интерферометр

ИНТЕРФЕРОМЕТР, прибор, действие которого основано на явлении интерференции волн. В соответствии с природой волн существуют атомный интерферометр (смотри Атомная оптика), интерферометр акустический и интерферометр для электромагнитных волн. К последним относятся оптический интерферометр и радиоинтерферометр (смотри Апертурный синтез). Ниже рассмотрены оптические интерферометры, которые получили наибольшее распространение как приборы для измерения длин волн спектральных линий и их структуры; для измерения показателей преломления прозрачных сред; в метрологии для абсолютных и относительных измерений длин и перемещений тел; для измерения угловых размеров звёзд (звёздный интерферометр); для контроля формы, микрорельефа и деформации поверхностей оптических деталей и пр.

Применение интерферометров в одночастотных лазерах позволило существенно улучшить и автоматизировать технику интерферометрических измерений, повысить точность измерения. В лазерных интерферометрах производится фотоэлектрическая регистрация разности хода, выраженная непосредственно в длинах волн. Созданы голографические интерферометры (смотри Голографическая интерферометрия), позволяющие регистрировать небольшие изменения формы поверхности или предмета, возникающие в результате тех или иных деформаций.

В основе работы интерферометра лежит пространственное разделение пучка света с помощью какого-либо устройства для получения двух или более взаимно когерентных лучей, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе, и наблюдается результат их интерференции. Вид интерференционной картины зависит от способа разделения пучка света на взаимно когерентные лучи, от их числа, их относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.

Многолучевые интерферометры используются главным образом как спектрометры высокого разрешения для исследования тонкой структуры спектральных линий (смотри Спектральные приборы), а двухлучевые интерферометры являются в основном техническими приборами.

Двухлучевые интерферометры. Если один луч проходит геометрической путь l₁ в среде с показателем преломления n₁, а другой - путь l₂ в среде с n₂, то оптическая разность хода лучей Δ = l₁n₁ - l₂n₂ + δ определяет результат интерференции. Здесь δ - изменение фазы на границах раздела сред. Интенсивность света в данной точке образующейся интерференционной картины при равных амплитудах А интерферирующих лучей и l₁ = l₂ = l определяется выраже­нием: 

I = 4A²cos²(πΔ/l). При Δ = mλ (m = 0, ±1, + 2,... - порядок интерференции) интенсивность имеет максимальное значение - максимум интерференционной полосы. Различным  m соответствуют полосы разного порядка. Изменение любой из величин l, n или λ приводит к смещению интерференционных полос. Измеряя величину смещения полос при постоянных l и λ, определяют изменение n, например, интерференционными рефрактометрами Рэлея или Жамена. Если известны λ и n, то по смещению полос можно измерить геометрические длины, для чего служат интерференционные компараторы. Так как интерференционная картина смещается заметно даже при небольших (порядка 0,1λ) изменениях разности хода Δ, точность измерения с помощью интерферометра очень высока (поскольку λ≈0,5 мкм).

При использовании источника монохроматического света в поле зрения интерферометра наблюдается большое число светлых и тёмных интерференционных полос различных порядков. Если в интерферометре используют источник белого света (например, лампу накаливания), то в поле зрения наблюдается лишь небольшое число (8-10) цветных полос низкого порядка.

Методы, с помощью которых в интерферометре могут быть получены когерентные пучки, весьма разнообразны, и потому существует большое число различных конструкций интерферометров, обычно приспособленных к измерению какой-либо одной величины (l, n или λ). По методу получения когерентных пучков интерферометры делятся на два типа. В одном из них когерентные пучки получаются в результате отражения от двух поверхностей плоскопараллельной или клиновидной пластинки. В интерферометре другого типа происходит интерференция лучей, вышедших из источника под углом друг к другу (смотри Интерференция света). К первому типу относятся интерферометры Жамена, Физо, Майкельсона и др., ко второму - интерферометры Рэлея и др.

Интерферометр Жамена, предназначенный для измерения показателей преломления жидкостей и газов, состоит из двух одинаковых толстых стеклянных пластин Р₁ и Р₂ (рис. 1). Задние поверхности пластин посеребрены. Пучок света от источника падает под углом, близким к 45°, на пластину Р₁. В результате отражения от передней и задней поверхностей пластины Р₁ возникают два параллельных пучка, каждый из которых, в свою очередь, раздваивается при отражении от двух поверхностей пластины Р₂. Средние пучки 1 и 2 при наложении друг на друга образуют интерференционную картину в фокальной плоскости зрительной трубы Т. Разность хода между ними Δ =2nh(cosθ’₂ - cosθ’₁), где h - толщина пластин из материала с показателем преломления n, θ₁ и θ₂ - углы падения на поверхности пластин Р₁ и Р₂; θ’₁ и θ’₂ - соответствующие углы преломления. Если пластины строго параллельны, то θ’₁=θ’₂ и Δ = 0; поле зрения будет равномерно освещённым. При юстировке одну из пластин слегка наклоняют и в установленной на бесконечность зрительной трубе видны эквидистантные интерференционные полосы. Если теперь на пути интерферирующих пучков поместить кюветы К₁ и К₂ с веществами с известным n₂, и неизвестным n₂ показателями преломления, то оптическая разность хода изменится и интерференционная картина сместится на Δ = (n₂-n₁)l (l - длина кюветы). Это позволяет определить n₂.

Интерферометр Рэлея тоже позволяет определить показатель преломления. Источник света 5 (рис. 2) располагается в фокальной плоскости линзы L₁. Выходящий из неё параллельный световой пучок поступает на диафрагму с отверстиями S₁ и S₂. Пучки света от S₁ и S₂ проходят через кюветы К₁ и К₂ и образуют интерференционные полосы в фокальной плоскости линзы L₂. Как и в случае интерферометра Жамена, при прохождении света через кюветы появляется добавочная разность хода Δ и по смещению полос определяют неизвестный показатель преломления.

Контроль точности изготовления плоских поверхностей оптических деталей осуществляют с помощью интерферометра Физо (рис. 3). Свет от монохроматического источника L с помощью конденсора О₁, диафрагмы D и объектива О₂ направляется параллельным пучком на эталонную Э и контролируемую К пластинки (положенные одна на другую и образующие между собой небольшой угол α) почти перпендикулярно их поверхностям. С помощью полупрозрачной пластинки П в отражённом свете наблюдаются интерференционные полосы равной толщины. Положения этих полос определяются из условия: Δ = 2dn + λ/2 = mλ = const, где d - толщина воздушного клина. Если контролируемая поверхность идеально плоская, то наблюдаются полосы равного наклона, имеющие форму прямых эквидистантных линий, параллельных ребру клина (d = const), расстояние между которыми равно z = λ/2α (при а = 10" и λ ≈ 0,5 мкм, z = 5 мм). Если же на контролируемой поверхности имеются какие-либо дефекты, например небольшие углубления или выступы (рис. 4, а, б), или она не строго плоская, то в области расположения этих дефектов наблюдаются отклонения δz от прямолинейности (рис. 4, в). При этом относительная величина отклонения δz/z связана с высотой или глубиной дефекта δh соотношением δh = (δ/2)δz/z. Невооружённый глаз может оценить величину δz/z ≈ 0,1, что соответствует величине обнаруженного дефекта δh = λ/20 (при λ = 0,633 мкм, δh = 0,031 мкм). Знак отклонения позволяет отличить тип дефекта: углубление или выступ (рис. 4, в).

Если контролируемая поверхность имеет форму сферы, то интерференционные полосы имеют форму концентрических окружностей (смотри Ньютона кольца).

Поверхности контролируемой и эталонной пластинок в интерферометре Физо из-за малости угла (порядка угловых секунд) почти полностью соприкасаются друг с другом и в процессе юстировки могут быть повреждены. Поэтому для контроля поверхностей часто используются бесконтактные интерферометры, построенные по схеме интерферометра Майкельсона (рис. 5). Здесь параллельный пучок света из объектива О₂ входного коллиматора падает на полупрозрачную разделительную пластинку П и направляется к зеркалам М₁ и М₂, которыми в данном случае служат эталонная Э и контролируемая К пластинки. После отражения от зеркал-пластинок оба пучка вновь соединяются разделительной пластинкой П, направляются в объектив О₃ выходного коллиматора и интерферируют. При этом оба зеркала ориентированы так, чтобы контролируемая поверхность К и мнимое изображение Э’ эталонной поверхности Э в разделительной пластинке образовали небольшой воздушный клин толщиной в его средней части (на оптической оси) d = l₂-l₁, где l₁ и l₂ - расстояния от разделительной пластинки до зеркал, l₁=АВ, l₂=АС. При интерференции наблюдаются полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина, максимумы интенсивности которых определяются из условия

Δ = 2 (l₂-l₁) = 2d = mλ.

Анализ интерференционной картины проводится так же, как и в интерферометре Физо. Модернизованный интерферометр Майкельсона, в котором одно из плоских зеркал заменено сферическим, позволяет проводить контроль качества сферических (выпуклых или вогнутых) зеркал и качества объективов. Принцип интерферометра Майкельсона широко используется в ряде других технических интерферометров, например в интерферометрах для измерения абсолютных и относительных длин концевых мер. Большое число лазерных интерферометров также построено по схеме интерферометра Майкельсона. Благодаря высокой монохроматичности и когерентности лазерного излучения такие интерферометры позволяют проводить измерения при больших разностях хода, например измерять с высокой точностью большие линейные перемещения тел (достигающие нескольких метров), проводить проверку штриховых эталонных мер, шкал и др.

В некоторых случаях двухлучевые интерферометры используются в качестве сдвиговых интерферометров, позволяющих получить информацию об искажении волнового фронта светового пучка. Эта информация, в свою очередь, даёт возможность определить характеристики среды и оптических элементов, через которые проходит пучок. Наибольшее распространение получили интерферометры поперечного сдвига. Для пояснения принципа их работы считают, что исследуемый волновой фронт является почти плоским, с небольшими отклонениями W(х,у) (рис. 6) от плоскости (х, у - координаты произвольной точки Р). При смещении фронта на величину S в направлении х его погрешность в точке Р составит W(х - S, у), а результирующая разность хода ΔW для двух фронтов определится как W(х,у) - W(х-S, у). Разность хода в различных точках волнового фронта ΔW=mλ, где m - порядок интерференционной полосы. Интерферометр   поперечного сдвига даёт информацию об отклонении луча в угловых единицах.

Рис. 6. Схематическое изображение (план и боковая проекция) исходного и сдвинутого волновых фронтов с круглой апертурой. Интерференционные полосы возникают в их общей перекрывающейся области.

Для работы в сдвиговом режиме можно использовать интерферометр  Маха - Цендера, состоящий обычно из двух светоделителей (1, 3) и двух плоских зеркал (2, 4) (рис. 7, а). Для этого в плечи интерферометра вводят плоскопараллельные пластины (5, 6), изготовленные из одного материала и имеющие одинаковую толщину (рис. 7,б). Меняя наклон плоскопараллельных пластин, можно менять величину поперечного сдвига пучков на выходе интерферометра.

Рис. 7. Интерферометр Маха - Цендера: а - обычная схема; б - схема для работы в сдвиговом режиме; 1,3- светоделители, 2,4- плоские зеркала, 5,6- вращаемые плоскопараллельные пластины.

Многолучевые интерферометры. Самым известным многолучевым интерферометром является интерферометр Фабри - Перо (рис. 8), состоящий из двух стеклянных или кварцевых параллельных пластин Р₁ и Р₂, расположенных на расстоянии h друг от друга, на внутренней поверхности которых нанесены зеркальные покрытия с высоким (0,85-0,98) коэффициентом отражения. Параллельный пучок света, падающий из объектива О₁ в результате многократного отражения от зеркал образует большое число параллельных когерентных пучков с постоянной разностью хода А = 2nhcosθ между соседними пучками, но различной интенсивности. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости F объектива О₂ образуется интерференционная картина в форме концентрическими колец  с резкими максимумами интенсивности, положение которых определяется из условия Δ_макс = mλ (m - целое число), т. е. зависит от длины волны. Поэтому интерферометр Фабри - Перо разлагает сложное излучение в спектр и применяется как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы, зависящей от коэффициента отражения зеркал р и от h, возрастая с их увеличением. Так, при р = 0,9, h = 100 мм, λ = 500 нм минимальный разрешаемый интервал длин волн δλ = 5·10^-3 нм. Для исследования спектров в видимой, ИК и сантиметровой областях длин волн используются специальные сканирующие устройства с фотоэлектрической регистрацией.

Кроме интерферометров, основанных на стационарной интерференции, существуют интерферометры на базе лазерных устройств, использующие нестационарную интерференционную картину. Так, для измерения небольших перемещений и длин деталей применяется интерферометр, действие которого основано на зависимости разностной частоты излучения между соседними продольными модами лазера f=с/2L от длины резонатора L (с - скорость света). По изменению разностной частоты Δf, происходящему при перемещении одного из зеркал резонатора, измеряют величину этого перемещения ΔL = 2L²Δf/с. Преимуществом таких интерферометров является то, что измерение линейных размеров (и перемещений) сводится к определению частоты, которую можно измерить радиотехническими методами с высокой степенью точности.

Рис. 8. Схема интерферометра Фабри - Перо.

Многолучевые лазерные интерферометры основаны на регистрации нестационарной интерференции парциальных световых пучков. На рисунке 9 приведена схема трёхлучевого лазерного интерферометра, выполняющего функцию акселерометра. Интерферометр  представляет собой резонатор, образованный протяжёнными зеркалами 1 и 6, в котором размещены три активных элемента 2, определяющие независимую генерацию по трём параллельным каналам I,II, III. В каналах I и III, играющих роль сигнальных, установлены чувствительные элементы 3 и 5, меняющие показатель преломления под действием ускорения. В канале II установлен опорный элемент 4, не реагирующий на ускорение и играющий роль компенсатора, что позволяет получить равные (или близкие) частоты генерации во всех трёх каналах при отсутствии ускорений. Чувствительные элементы обычно выполняются в виде прямоугольных сосудов, заполненных газом. Воздействие ускорения на оптическую систему приводит к появлению градиента давления газа, что вызывает изменение показателя преломления в сигнальных каналах и, следовательно, изменение частоты генерации. Большая сторона параллелепипеда параллельна измерительной оси (х или у). Ортогональная ориентация измерительных осей в каналах I и III позволяет реализовать акселерометр, реагирующий на две составляющие а_х и а_у произвольного вектора ускорения. Для измерения изменений частот генераций в сигнальных каналах генерируемое в них излучение смешивается с помощью системы светоделителей (7-10) с излучением опорного канала и подаётся на фотоприёмники 11, 12, регистрирующие световые биения на разностных частотах. По величине разностных частот определяются изменения показателя преломления в сигнальных каналах и выявляются составляющие ускорения а_х и а_у.

Все рассмотренные выше интерферометры относятся к классу амплитудных. В них сначала формируется интерференционная картина, а затем регистрируется распределение интенсивности (в пространстве или во времени) для определения изменений в структуре интерференции, происходящих в процессе измерений.

Наряду с амплитудными интерферометрами для определения характеристик когерентности световых пучков используются также интерферометры интенсивности. В них интерференционная картина не наблюдается, а необходимую информацию получают, измеряя корреляцию интенсивностей, регистрируемых двумя пространственно разнесёнными приёмниками излучения.

Лит.: Захарьевский А. Н. Интерферометры. М., 1952; Коломийцов Ю. В. Интерферометры. Л., 1976; Крылов К. И., Прокопенко В. Т., Митрофанов А. С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л., 1978; Гудмен Дж. Статистическая оптика. М., 1988; Ландсберг Г. С. Оптика. 6-е изд. М., 2003; Бутиков Е.И. Оптика. СПб., 2003.