7. レイリー干渉計

レイリー干渉計 (干渉屈折計) - 2 つの平行なスリットでの光の回折現象に基づいて、屈折率を測定するための干渉計です。レイリー干渉計の図は、垂直投影と水平投影で (図 10) に示されています。

明るく照らされた狭い幅Ｓのスリットは、レンズＯ１の焦点面に位置する光源として機能する。 O 1 から出た平行な光線は、2 つの平行なスリットを備えた絞り D と、研究対象の気体または液体が導入されるチューブ R 1 および R 2 を通過します。これらのチューブは同じ長さを持ち、O 1 と望遠鏡レンズ O 2 の間のスペースの上半分のみを占めます。絞りDのスリットで回折する光の干渉の結果、レンズO 2 の焦点面では、スリットSの像の代わりに、図10に概略的に示す2系統の干渉縞が形成されます。。ストライプの上部システムはチューブ R 1 と R 2 を通過する光線によって形成され、下部システムはそれらを通過する光線によって形成されます。干渉縞は、短焦点の円筒形接眼レンズ O 3 を使用して観察されます。 R 1 と R 2 に配置された物質の屈折率 n 1 と n 2 の差に応じて、上部のバンド系が一方向または別の方向にシフトします。この混合の大きさを測定することで、n 1 - n 2 を計算できます。ストリップの下部システムは静止しており、上部システムの動きはそこから測定されます。スリットＳを白色光で照明すると、両干渉縞の中央の縞は無彩色となり、その左右の縞は有色となる。これにより、センターストライプを検出しやすくなります。ストリップの上部システムの動きの測定は、ストリップの上部システムと下部システムが結合されるまで、R 1 と R 2 を通過する光線の間に追加の位相差を導入する補償器を使用して実行されます。レイリー干渉計を使用すると、小数点第 7 位、さらには第 8 位までの非常に高い測定精度が達成されます。レイリー干渉計は、空気や水中の小さな不純物の検出、鉱山や炉のガスの分析、その他の目的に使用されます。

超音波干渉計は位相速度と吸収係数を測定するための装置であり、その動作原理は音波の干渉に基づいています。代表的な超音波干渉計（図）

干渉計とその応用

ジャミン干渉計 (干渉屈折計) は、気体や液体の屈折率を測定したり、空気中の不純物の濃度を測定したりするための干渉計です。ジャミン干渉計 (図 3...)

干渉計とその応用

STELLAR INTERFEROMETER -- 星の角の大きさと二重星間の角距離を測定するための干渉計。 2 つの星間の角距離が非常に小さい場合、望遠鏡ではそれらは 1 つの星として見えます。

干渉計とその応用

強度干渉計 - 離れた 2 つの点で受け取った放射線の強度の相関係数を測定する装置...

干渉計とその応用

マイケルソン干渉計は、最も一般的な骨格干渉計設計の 1 つであり、物体の空間的位置合わせによって干渉波が発生する場合のさまざまな用途向けに設計されています。

干渉計とその応用

Rozhdestvensky 干渉計は、2 つのミラー M1、M2 と 2 つの平行な半透明プレート P1、P2 で構成される 2 ビーム干渉計です (図 8)。 M1、P1 と M2、P2 はペアで並列に取り付けられています...

干渉計とその応用

ファブリペロー干渉計は、二次元分散と高分解能を備えたマルチビーム干渉分光装置です。放射線をスペクトルと写真に空間分解する装置として使用されます。

量子光学

ステファン・ボルツマンの法則とウィーンの法則を考慮すると、普遍的なキルヒホッフ関数 r?,T を求める問題を解決するための熱力学的アプローチでは望ましい結果が得られなかったことがわかります...

光の性質に関する見解の発展。光の干渉現象

もちろん、干渉原理は細菌だけでなく、星の観察にも応用できます。それはとても明らかです...

青空理論

空の色を説明するために、さまざまな時期にどのような仮説が提唱されてきましたか。レオナルド・ダ・ヴィンチは、暗い暖炉を背景にした煙がどのように青みがかった色になるかを観察して、次のように書きました。「...暗闇の上の光は青くなり、ますます美しくなります...

回折理論の結論を使用すると、ヤングの実験における二次光源からの光は、一次光源からの幾何学的光線の方向に最大の強度を持つと主張できます。ヤングの実験では、これらの光線はスクリーンの後ろで発散しますが、穴の前に置かれたレンズの助けを借りて (図 7.12)、光線は点 O に運ばれ、レンズに対して共役になり、干渉の強度が変化します。 O付近のパターンが増加し、さらに離れた穴では干渉縞が観察されます。隣接する光の縞の間の距離は依然として等しく、レンズが点の正点像を与える場合、光学的等価性の原則に従って、

レンズが非点収差の像を生成しない場合、ゼロ次ストリップは、両方の穴を通る 5 から O への光路差に応じた量だけ O にシフトします。光路差がある場合、変位は隣接する光ストライプ間の距離よりも何倍も大きくなります。

明らかに、マイケルソンが行ったように、そのような装置を使用してレンズの品質を定量的にテストすることができます。穴の 1 つがレンズの中心に対して静止している場合、もう 1 つの穴の異なる位置で測定することにより、レンズを通過した後の球面度からの波面の偏差 (波面収差) を決定することができます。同様に、屈折率を持つ厚さ I の透明板がそこから来る光の中に置かれると、光路長はだけ増加し、点 O での干渉の次数はその量だけ変化します。

測定することで、プレートの屈折率と環境の屈折率の差を判断できます。これは、気体の屈折率の正確な測定に使用されるレイリー干渉計のデバイスの基礎です。このデバイスの最新モデルの図を図に示します。 7.13。スリットからの光はレンズによってコリメートされ、他の 2 つの平行なスリットに入射します。

米。 7.13。レイリー干渉計の図、 - 水平断面図、 - 垂直断面図。

平行な光線は、異なるガスセルから出て、異なるガスセルを通過し、スリットに平行な干渉縞が形成される焦点面のレンズによって集められます。光のビーム内にガスセルを配置すると、スリット間の距離が大幅に増加し、その結果、干渉縞の間隔が狭くなり、観察するには高倍率が必要になります。また、スリットの幅も大きくとることができないため、画像の明るさが低くなってしまう。倍率はストライプに垂直な方向にのみ必要であるため、ストライプに平行な長軸を備えた薄いガラス棒の形の円筒形の接眼レンズがこの目的に適しています。この方法で見た画像は、球面接眼レンズを使用した場合よりもはるかに明るくなります。円筒形の接眼レンズの使用には、もう 1 つの重要な利点があります。これにより、ストライプ間の距離が主なものと同じであるが、ガスセルの下を通過する光源からの光によって形成される、ストライプの 2 番目の固定システムを取得することが可能になります。 2 番目の縞模様は、読み取りの目盛りとして機能します。このスケールをガラス板を用いて上下に移動させ、その上端が本体の下端に接するようにします。瞳孔の間の鋭い分割線は、レンズを通して観察されるプレートの端です

したがって、キュベット内の光路の変化による縞の主系の変位の決定は、一般に視力が優れている目の視力に完全に依存しており、このようにして変位はほぼ 1 に等しくなります。 /40次の検出が可能です。光学システム内のランダムな変位も、両方のストリップシステムに同時に影響を与えるため、それほど重要ではなくなります。

実際には、ストライプを数えるよりも光路差を補償する方が便利です。これは次のように行われます。ガスセルから出た光は薄いガラス板を通過します。一方の板は固定されており、もう一方は水平軸の周りを回転でき、これによりガスセルから出てくる光の光路長を滑らかに変化させることができます。

このような補償器は、ストライプの主システムにおける一桁の大きさの変位に対応するプレートの回転量を決定するために、単色光で校正されます。この場合、ストライプシステムは光路の平等性を示すヌルインジケータとして機能し、通常は次のようにデバイスで動作します。ガスセルは真空にされ、補償器を使用して白色光でメインシステムのストライプと、スケールはほぼ揃っています。次に、単色光で弾丸次数の正確な一致を達成し、その後、キュベットの 1 つが研究対象のガスで満たされ、再度、最初は白色光で、次に単色光で、補償器を使用してゼロ次数が結合されます。 2 つの補償器設定間の違いにより、セル内のガスの存在によって引き起こされるストライプの主システムの次数シフトをそのキャリブレーションから決定することができます。このガスの屈折率は (28) から求められます。

ここで、はガスセルの長さです。正常値で取付精度1/40オーダーの場合、約1/40の変化

干渉パターンが観察される場所への光路とそこへの光路は、異なる分散を持つ媒体を通過します。したがって、単純な場合とは対照的に、異なる長さの意志に照らしてゼロ次で考えると、一般的に言えば一致せず、白色光では完全に白い縞は存在しません。最も色の少ない帯域には特定の平均波長（スペクトルの可視領域内）があり、これは目の色感度に依存します。レンズを説明するときに使用される用語から類推すると、この帯域は色消しと呼ばれます。補償器が光路差 A を導入する場合、点 O での干渉の次数は次と等しくなります。

したがって、点 O には無彩色帯域が存在します。

この補償器の設置により、単色光での画像のゼロ次数は点 O に到達しない可能性があります。これは、それらが一致するには次のことが必要であるためです。

この不一致は単色光でゼロ次バンドを識別するのが困難になるほど大きい場合があり、低圧または短いキュベットでの予備測定が必要になります。

また、無彩色帯域は、可視スペクトルの波長の値の範囲が十分に小さい画像内の点でのみよく認識されることにも注意してください。白色光で観察する場合、同じ分散を持つ媒質内の干渉波の経路は可能な限り等しくなければなりません。

原理的には I を増加させることで感度を高めることができますが、これは温度制御の難しさによって妨げられます。同じ理由で、液体の屈折率の違いを測定することを目的としたデバイスのモデルでは、短いキュベットのみが使用されます。さらに、補償できる光路差は限られているため、キュベット内の屈折率の差が大きい場合は、キュベットの長さを比例して短くする必要があります。

レイリー干渉計

ファブリペロー干渉計

ファブリペロー干渉計は、二次元分散と高分解能を備えたマルチビーム干渉分光装置です。放射線をスペクトルと写真に空間分解する装置として使用されます。登録および光電登録を備えた走査デバイスとして。ファブリペロー干渉計は、反射面によって制限された光学的に均質な透明材料の平行平面層です。最も広く使用されている空気ファブリペロー干渉計は、互いに一定の距離 d を隔てて配置された 2 枚のガラスまたは石英プレートで構成されています (図 11)。向かい合う面には高反射コーティングを施しています（波長0.01の精度で作成）。ファブリペロー干渉計はコリメータの間に配置されます。照明付き絞りが入力コリメータの焦点面に設置され、ファブリペロー干渉計の光源として機能します。ミラーからの複数の反射の結果としてファブリーペロー干渉計に入射する平面波と、各反射後の部分出力は、振幅と位相が異なる多数の平面コヒーレント波に分割されます。一貫した意志の振幅は等比数列の法則に従って減少し、特定の方向に移動する隣接する一貫した意志の各ペア間の経路の差は一定で等しい

ここで、 n はミラー間の媒体の屈折率 (空気 n=1 の場合)、はビームとミラーの法線との間の角度です。出力コリメータのレンズを通過したコヒーレント波は、その焦点面 F で干渉し、等しい傾斜のリングの形で空間干渉パターンを形成します (図 12)。干渉縞の強度 (照度) 分布は次の式で表されます。

I =f k BTу/f 2 2、

ここで、B は光源の明るさ、f k はコリメータレンズの透過率です。 yは軸平行ビームの断面積、f 2 は出力コリメータレンズの焦点距離、Tはファブリペロー干渉計の透過関数です。

T= T max (1+з 2 sin 2 k?) -1

ここで、T max = 、k = 2r/l

z = 2/(1- c)、f、c、a はそれぞれミラーの透過率、反射、吸収係数で、f + c + a = 1 となります。

伝達関数 T、したがって強度分布は、鋭い強度最大値を持つ振動特性を持ち (図 13)、その位置は次の条件から決定されます。

ここで、m (整数) はスペクトルの次数、l は波長です。隣接する最大値の中間で、関数 T は最小値を持ちます。

干渉最大値の位置は、角度 u と、2 番目のガラス板からの光線の出射角度に等しい角度 h に依存するため、干渉パターンは、次の条件から決定される同心リングの形になります (図 12)。入力図の幾何学的イメージの領域に局在化されます (図 11)。

これらのリングの半径は等しい。これは、m = const で r m と r の間に明確な関係があることを意味し、したがってファブリーペロー干渉計は放射線をスペクトルに空間分解する。隣接するリングの最大値とこれらのリングの幅の間の直線距離（図13）は、半径が増加するにつれて減少します。つまり、r t が増加すると、干渉リングはより狭く、より密になります。リングの幅Δｒも反射係数ｃに依存し、ｃが増加するにつれて減少する。

実際のファブリペロー干渉計の輝度は、同じ解像度の回折分光計の輝度よりも数百倍大きく、これが利点です。ファブリペロー干渉計は分解能が高く、分散領域が非常に小さいため、測定するスペクトルの幅を小さくするために事前に単色化する必要があります。この目的のために、ファブリーペロー干渉計と分光器の分散方向が互いに直交するように、ファブリーペロー干渉計とプリズムまたは回折分光器を組み合わせた交差分散装置がよく使用されます。場合によっては、分散領域を増やすために、異なる距離 d で前後に配置された 2 つのファブリペロー干渉計のシステムが使用され、それらの比 d 1 / d 2 が整数に等しくなります。次に、分散領域は「薄い」ファブリペロー干渉計によって決まり、分解能は「厚い」干渉計によって決まります。 2 つの同一のファブリペロー干渉計を設置すると、分解能が向上し、干渉パターンのコントラストが増加します。

ファブリーペロー干渉計は、スペクトルの紫外、可視、赤外領域で、スペクトル線の微細および超微細構造の研究、レーザー放射のモード構造の研究などに広く使用されています。レーザーの共振器。

レイリー干渉計

アニメーション

説明

レイリー干渉計は、波の位相侵入の違いに最も敏感な干渉デバイスの 1 つであり、これを使用して、大気圧に近い圧力での気体の屈折率を正確に決定することができます (この圧力では、対応する屈折率は大気圧と異なります)。小数点第 4 位または第 5 位の単位)。

レイリー干渉計の設計の概略図を図に示します。 1.

レイリー干渉計設計の概略図

米。 1

レンズの焦点に位置するほぼ点光源 S からの光ビームは、このレンズによって平行ビームに変換されます。さらに、レンズの後ろには、システムの主軸に対して対称な 2 つの穴を持つ絞りがあり、二次光源 S 1 および S 2 で、2 本の平行な細いビームを形成します。これらのビームは、第 2 レンズによってその焦点面にあるスクリーン上に集束されます。結果は、図に示すような水平縞の干渉パターンになります。この場合、レンズ間のビーム伝播に沿って屈折率 n 1 (調査対象のガスを含むセル) と n 2 (光放射の既知の制御された位相シフトを持つ位相シフト補償器) を持つ追加の物体が存在しない場合、干渉パターンのゼロ最大値はシステムの軸上にあります。ゼロ最大値は、干渉パターンを形成する D 波の経路におけるゼロの差に対応する最大値です。広帯域放射線 (自然光など) を使用する場合、高次の最大値 m と簡単に区別できます。

D =m l 0、

ここで、l 0 は放射スペクトルの中心波長です。

実際、元の白色を持つ唯一のものである一方で、最大条件が中心から異なる変位で達成されるという事実により、高次の最大値が「スペクトルに引き伸ばされる」ことは容易に理解できます。ビームスペクトルのさまざまな波長の画像。

ここで、レンズ間空間 (いわゆる干渉計のアーム) を伝播する 2 つのビームに、調査中のガス n 1 と制御された光学遅延 n 2 を含む長さ L のセル (たとえば、同じセルに屈折率が圧力に依存する気体が既知である場合)、ビームは追加の経路差を受け取ります。

Ｄ１＝Ｌ（ｎ２−ｎ１）。

したがって、干渉パターンのゼロフリンジがシフトし、フィールドの中心に色が付きます。

「画像を元の位置に戻す」には、2 つのキュベット内のテストガスと参照ガスの屈折率を等しくする必要があります。これは、後者の圧力を変えることで達成されます。その結果、ゼロ「ホワイト」バンドの中心性を復元することにより (これはバンドの約 1/40、D m Ј 1/40 という高い精度で実行できます)、屈折率に関する正確な情報が得られます。研究中のガス。レイリー干渉計回路に従って作られた実際の機器では、次の式を使用して屈折率の単位からの違いを測定することができます。

(n-1)= l 0 D m/L » 10 -8 。

タイミング特性

開始時間 (-8 ～ -7 にログ)。

寿命 (-7 ～ 15 の log tc);

劣化時間 (-8 から -7 までの log td);

最適な発達の時間 (-6 から -5 までの log tk)。

図: