Тесты для допуска к выполнению работы

Тест 1

От чего и как в опыте Юнга зависят: (1) качество интерференционной картины, (2) ширина интерференционной полосы, (3) координаты интерференционных полос?

Выберите правильный ответ:

От расстояния между щелями, играющими роль когерентных источников света:

1. С уменьшением этого расстояния – увеличивается;

2. С уменьшением этого расстояния – уменьшается.

От расстояния между одинарной и двойной щелью:

3. С увеличением этого расстояния – возрастает;

4. С уменьшением этого расстояния – возрастает.

От ширины первой щели:

5. С увеличением ширины щели ухудшается;

6. С уменьшением ширины щели ухудшается.

От расстояния между двойной щелью и экраном:

7. С уменьшением этого расстояния – увеличивается;

8. С увеличением этого расстояния – увеличивается.

От длины волны λ:

9. С увеличением λ – увеличивается;

10. С уменьшением λ – увеличивается.

От порядка интерференции k:

11. С ростом k – уменьшается;

12. С ростом k – увеличивается.

От степени монохроматичности излучения:

13. С увеличением степени монохроматичности – улучшается;

14. С увеличением степени монохроматичности – ухудшается.

15. Правильного ответа нет.

Как в настоящей работе в опыте с бипризмой Френеля определяются: (4) ширина интерференционной полосы, (5) расстояние между когерентными источниками, (6) расстояние от когерентных источников до интерференционной картины, (7) длина волны излучения, (8) фокусное расстояние линзы.

Выберите правильный ответ:

1. Известны из методических указаний.

2. Измеряются миллиметровой линейкой.

3. Измеряется с помощью оптического микрометра.

4. Измеряется с помощью коллиматора.

5. Подсчитывается по формуле на основании результатов прямых измерений соответствующих величин.

6. Измеряется по методу Аббе.

7. Правильного ответа нет.

 

Тест 2

Изменится ли, как и почему изменится интерференционная картина в опыте Юнга, если

(1) увеличить расстояние между щелями, играющими роль когерентных источников света,

(2) отодвинуть экран от источника света, (3) увеличить степень монохроматичности излучения, (4) зеленый фильтр заменить красным, (5) увеличить ширину первой щели?

Составить ответ из двух частей, используя предложенные ниже варианты.

А) Интерференционная картина расширится,		а) Уменьшается пространственная когерентность излучения.
Б) Интерференционная картина сожмется,		б) Увеличивается длина цуга волн, значение которой определяет предельную оптическую разность хода интерферирующих лучей.
В) Уменьшится количество наблюдаемых порядков интерференции, интерференционная картина может полностью исчезнуть,	так как	в) уменьшится ширина интерференционной полосы.
Г) Увеличится количество наблюдаемых порядков интерференции,		г) не зависит от рассматриваемых выше условий.
Д) Интерференционная картина не изменится,		д) увеличивается ширина интерференционной полосы.

 

В задании к опыту «Кольца Ньютона» используется формула: . Что в этой формуле обозначено буквами

(6) D_m и D_k, (7) R, (8) (k-m)?

Выберите правильный ответ:

1. Радиус колец Ньютона.

2. Радиус кривизны линзы.

3. Диаметр колец Ньютона.

4. Диаметр соответствующего кольца Ньютона и линзы.

5. Число колец Ньютона.

6. Правильного ответа нет.

От чего зависят (9) контрастность и (10) яркость интерференционной картины?

Выберите правильный ответ:

1. От степени монохроматичности излучения.

2. От яркости источника света.

3. От соотношения интенсивности интерферирующих лучей.

4. От степени пространственной когерентности излучения.

5. Правильного ответа нет.

Тест 3

С какой целью в настоящей работе выполняются опыты:

(1) Поля, (2) «кольца Ньютона», (3) с бипризмой Френеля, (4) Юнга?

Выберите правильный ответ:

1. Научиться демонстрировать явление интерференции света учащимся.
2. Измерить длину волны света.
3. Измерить радиус кривизны линзы.
4. Убедиться в большой пространственной когерентности лазерного излучения.
5. Выявить различия интерференционной картины в отраженном и проходящем свете.
6. Оценить степень монохроматичности и длину цуга излучения.
7. Научиться определять оптическую разность хода интерферирующих лучей и порядок интерференции.
8. Правильного ответа нет.

От чего зависят в опыте с бипризмой Френеля (5) расстояние между когерентными источниками, (6) ширина интерференционной полосы?

Выберите правильный ответ.

От преломляющего угла бипризмы.

1. От точности измерения преломляющего угла бипризмы.
2. От расстояния между щелью и бипризмой.
3. От точности измерения расстояния между щелью и бипризмой.
4. От показателя преломления вещества бипризмы.
5. От расстояния между щелью и экраном.
6. От точности измерения расстояния между щелью и экраном.
7. От ширины щели.
8. От точности измерения ширины щели.
9. От степени монохроматичности излучения.
10. От степени параллельности щели преломляющему ребру бипризмы.
11. От качества интерференционной картины.
12. От качества изображения когерентных источников света.
13. От длины волны излучения.
14. От точности оптического микрометра.
15. Правильного ответа нет.

Предельный порядок интерференции можно определить из соотношений:

. Что в приведенных формулах означает (7) , (8) l?

Выберите правильный ответ.

1. Предельную разность хода, начиная с которой при наличии достаточной пространственной когерентности исчезает интерференционная картина.
2. Спектральную ширину излучения.
3. Степень монохроматичности излучения.
4. Длину цуга или длину когерентности излучения.
5. Правильного ответа нет.

 

Тест 5

Рабочая формула к опыту с бипризмой Френеля имеет вид: . Что в этой формуле обозначает

(1) z, (2) d`, (3) f, (4) x₁, (5) L, (6) ?

Выберите правильный ответ:

1. Расстояние от щели до экрана.

2.  Расстояние между когерентными источниками.

3. Расстояние между изображениями когерентных источников.

1. Расстояние от бипризмы до экрана.
2. Фокусное расстояние линзы.
3. Расстояние от линзы до даваемого ей изображения.
4. Суммарная ширина нескольких интерференционных полос.
5. Количество интерференционных полос.
6. Ширина интерференционной полосы.
7. Расстояние от линзы до предмета.
8. Расстояние от щели до бипризмы.
9. Правильного ответа нет.

От чего в опыте «кольца Ньютона» зависят (7) радиусы интерференционных колец, (8) количество интерференционных колец?

Выберите правильный ответ:

1. От степени монохроматичности излучения.

2. От яркости источника.

3. От соотношения интенсивности интерферирующих лучей.

4. От степени прижатости линзы к пластине.

5. От показателя преломления среды, заполняющего зазор между поверхностями линзы и пластины.

6. От радиуса кривизны линзы.

7. Правильного ответа нет.

 

 

РАБОТА 10

ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ

Цель работы: Познакомиться с некоторыми примерами применения явления интерференции света на практике: с определением по положению или смещению интерференционных полос длины волны излучения, показателей преломления и их зависимости от параметров среды (например, зависимости показателя преломления газа от давления), микроскопических неровностей поверхности, малых линейных размеров, малых перемещений, деформаций и т. д.

Измерительные приборы, в основе действия которых лежит явление интерференции, называются интерферометрами. Наиболее распространены интерферометры Майкельсона. Линника, Маха–Цендера, Фабри-Перо.

 

Вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению работы

1. Интерференция в тонких пленках.
2.  Полосы равной толщины и полосы равного наклона.
3. Интерферометр Майкельсона.
4. Микроинтерферометр Линника.
5. Интерферометр Маха-Цендера
6. Многолучевая интерференция.
7. Интерферометр Фабри-Перо.
8. Интерференционный светофильтр.

 

Литература

1. Е.И.Бутиков. Оптика. Издательства: Невский Диалект, БХВ-Петербург, 2003, 480с.

2. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Оптика -ФИЗМАТЛИТ, МФТИ, 2006, 792с.

1. Настоящее руководство.

Дополнительная литература

1. Оптика / Под ред. Г. С. Ландсберга. - 12-е изд. - М.: Физматлит, 2010, 848 с.
2. И.В.Савельев Курс общей физики т.3 – Изд-во: Лань, 2008, 406с.
3. С.Э.Фриш и А.В.Тиморева, Курс общей физики т.3 –Изд-во: Лань, 2007, 608с.
4. Инструкции к используемым в работе приборам.

 

Сведения из теории

Большая точность измерений интерференционными методами определяется малостью длины световой волны (0,4 - 0,76 мкм). При интерференции легко можно оценить сдвиг полосы на 1/10 (и даже 1/100) от её ширины. В результате оказываются возможными измерения с точностью до сотых долей микрометра. При практическом применении особенно важен частный случай интерференции света, отраженного двумя поверхностями плоскопараллельной пластинки (Риc.1). Оба луча, идущие от S к P, порождены одним падающим лучом и после отражения от передней и задней поверхностей пластинки параллельны друг другу. Для наблюдения интерференции на пути отраженных лучей необходимо поставить линзу, экран расположить в ее фокальной плоскости. Оптическая разность хода между лучами в точке P такая же, как на линии DC и с учетом потери полуволны при отражении от передней поверхности, равна: Δ=n(AB+BC)-AD . Здесь n – показатель преломления материала пластинки, λ - длина волны в вакууме. Предполагается, что над пластинкой находится воздух. Так как AB=BC=2h/cosθ', AD=2htgθ'sinθ (h - толщина пластинки, θ и θ' - углы падения и преломления; sin θ = nsin θ'), разность хода можно представить в виде:

Δ =2nhcos θ ' = . (1)

Если пластинка строго плоскопараллельна, разность хода определяется углом падения , который однозначно связан с положением точки P в задней фокальной плоскости линзы L. При использовании бесконечно удаленного протяженного источника (например, в виде светящейся плоской поверхности, расположенной в передней фокальной плоскости осветительной линзы) каждой интерференционной полосе будет соответствовать свой угол падения. Поэтому такие полосы называют интерференционными полосами равного наклона. Полосы равного наклона локализованы в бесконечности (или в задней фокальной плоскости линзы L).

В соответствии с последней формулой светлые полосы расположены в местах, для которых 2nhcosθ'- l/2=ml, где m - целое число, называемое порядком интерференции. Полоса, соответствующая данному порядку интерференции, обусловлена светом, падающим на пластинку под вполне определенным углом θ. Если ось объектива расположена перпендикулярно пластинке, полосы имеют вид концентрических колец с центром в фокусе. В центре картины порядок интерференции максимален.

При не плоских или не параллельных поверхностях пленки при условии, что угол между ними остается малым и световые лучи падают практически нормально, порядок интерференционной полосы определяется толщиной пленки: каждой интерференционной полосе соответствует совокупность мест пленки, где ее оптическая толщина nh имеет одно и то же значение. По этой причине такие полосы называют обычно полосами равной толщины. Переход от одной полосы к другой соответствует изменению толщины на λ/2.

Чаще всего в интерферометрах используется интерференционная картина в виде полос равной толщины. Полосы равной толщины локализованы вблизи поверхности пленки или тонкой пластинки. Их можно наблюдать невооруженным взглядом либо с помощью лупы или сфокусированного на поверхность микроскопа. В случае клиновидной пластинки (Рис.2) полосы будут параллельны ребру клина, и отстоять на одинаковом расстоянии l друг от друга.

Максимум для длины волны λ в отраженном свете будет там, где Δ=mλ, минимум, когда . В проходящем свете на месте максимума будет минимум и, наоборот. Ширина полос l зависит от угла между плоскостями:

l= . (2)

Формула (2) получена из условий для двух соседних максимумов m-ого и (m-1) порядков: 2nh₁cos θ'- λ/2=mλ

2nh₂cos θ'- λ/2=(m-1)λ

Вычитая из верхнего условия нижнее условие, получим:

2n(h₁ –h₂) cos θ'= λ

Из рис.2                                       l =

Если бы свет был строго монохроматическим, то могли бы наблюдаться полосы высоких порядков, а, следовательно, пластинки могли бы быть толстыми. Но если имеется смесь цветов, например λ₁ и λ₂, причём λ₁>λ₂, то расстояние между полосами цвета λ₁ больше, чем расстояние между полосами цвета λ₂, и при достаточно больших m, минимум m-го порядка для длины волны λ₁ закроет максимум m-го порядка для λ₂ (Рис.3). Этому соответствует условие: (3)

 

При этом значении m произойдет первое исчезновение интерференционной картины. При дальнейшем возрастании m интерференционные полосы будут то появляться, то исчезать. Иначе обстоит дело, когда длина волны света непрерывно заполняет спектральный интервал (λ₁,λ₂). Чтобы воспользоваться и в этом случае формулой (3), можно разбить спектральный интервал на множество пар бесконечно узких спектральных линий, отличающихся по длине волны на . Тогда, заменяя в формуле (3) Δλ на , получим полное исчезновение интерференционной картины при значении

(4).

При больших значениях m интерференционные полосы появятся, но уже на светлом фоне, т.е. при контрастность интерференционной картины будет мала, практически, картина размывается. Для белого света Δλ~λ и в соответствии с формулой (4) m_пред.=1.

 

Интерферометр Майкельсона

Идея интерферометра Майкельсона понятна из рисунка 4. Падающий луч L разделяется полупрозрачной пластинкой M (так называемая светоделительная пластинка) на два луча, один из которых направлен к зеркалу Z1 а второй к зеркалу Z2. Зеркала установлены перпендикулярно к лучам. Поэтому после отражения от зеркал лучи возвращаются по своему первоначальному направлению. У пластинки M лучи вновь соединяются и выходят из интерферометра по направлению к L΄. Так как длины ветвей интерферометра не равны то, выходящие лучи имеют некоторую разность хода, которая и обуславливает вид интерференционной картины. Для схемы, представленной на рис.4, разность хода равна Δ=2(ac-ab). В интерферометре Майкельсона интерферирующие лучи значительно удалены друг от друга. Это дает возможность вводить в один из пучков исследуемые объекты, например, стеклянные пластинки, для исследования их однородности, нагретые тела, для наблюдения конвекционных потоков воздуха, и т.п. Однако это же обстоятельство создаёт и ряд затруднений, так как прибор становится чувствителен к вибрациям и различного рода механическим и температурным воздействиям.

При изучении свойств интерферометра Майкельсона для большей наглядности принято вводить в рассмотрение мнимую плоскость R, которая является изображением зеркала Z2 в пластинке M. Эта плоскость называется относительной или референтной плоскостью. Результат интерференции и интерференционная картина получаются такими же, как в мнимой пластинке, ограниченной плоскостями Z1 и R. Придавая небольшие наклоны зеркалам Z1 и Z2 можно получить клиновидную пластинку (R,Z1) любого угла с ребром клина, ориентированного в любом желаемом направлении (Рис.5). Продольное перемещение одного из зеркал дают возможность непрерывно изменять толщину мнимой пластинки. Плоскость Z1 может находиться ближе или дальше R, а может совпадать с ней. Таким образом, в данном интерферометре могут быть воспроизведены различные случаи интерференции в пластинках, толстых и тонких, клинообразных и плоскопараллельных. Если зеркала Z₁ и Z₂ расположены строго перпендикулярно относительно друг друга, могут наблюдаться интерференционные полосы равного наклона в виде колец.

Если зеркала Z₁ и Z₂ расположены не строго перпендикулярно относительно друг друга, будут наблюдаться полосы равной толщины, как в клине. Для наблюдения таких полос источник света должен давать параллельный пучок лучей.

Поскольку светоделительная пластинка имеет определенную толщину, возникает необходимость в использовании дополнительной компенсационной пластинки (Рис.6). В схеме интерферометра Майкельсона, представленной на рисунке 6, имеется две плоскопараллельные пластинки А и В, вырезанные из одного куска стекла. Пластина А со стороны, обращенной к пластине В, покрыта полупрозрачным слоем серебра. Пучок света от источника S падает на полупрозрачную пластину А, поставленную под углом 45° к направлению луча света, и разделяется на два пучка: 1-й и 2-й - в направлении зеркал Z_1, Z₂. Эти лучи, отражаясь от зеркал Z₁ и Z₂, вторично попадают на пластинку А. Таким образом, в направлении 3 распространяется два когерентных луча. Луч 2 трижды проходит через толщу пластины А, а луч 1 - лишь один раз, т.е. при равных длинах плеч интерферометра уже имеется большая оптическая разность хода лучей 1 и 2. Пластина В убирает эту лишнюю разность хода, так как при большой разности хода для получения интерференционной картины требуется излучение высокой степени монохроматичности . При использовании в интерферометре Майкельсона лазерного излучения надобность в компенсационной плаcтинке отпадает. Если разность хода 1-го и 2-го лучей окажется равной λ, 2λ, 3λ, и т.д., то в направлении 3 будет наблюдаться свет (условие максимума). Если же в направлении 3 наблюдается темнота, то это означает, что разность хода равна , ,  и т.д. (условие минимума).

С помощью специального устройства можно перемещать зеркало Z₁, тем самым изменять интерференционную картину, наблюдаемую в направлении 3. Интерферометр Майкельсона применяется для различных метрологических целей.

 

Микроинтерферометр Линника

В.П.Линник применил интерферометр Майкельсона для контроля качества обработки поверхностей. Схема микроинтерферометра Линника незначительно отличается от схемы интерферометра Майкельсона. На пути лучей 2 помещается линза L₂, играющая роль объектива микроскопа (Рис.7). Зеркало Z₂ заменяется исследуемой поверхностью. Интерференционная картина рассматривается через систему линз L₃, L₄ одновременно являющуюся окуляром микроскопа. Для удобства наблюдения направление интерферирующих лучей изменяется зеркалом Z₃. Таким образом, в микроинтерферометре Линника одновременно совмещаются интерферометр и микроскоп. В поле зрения микроинтерферометра можно на фоне исследуемой поверхности наблюдать интерференционные полосы.

 

Если на исследуемой поверхности имеются царапины или другие неровности, то в этом месте полосы, искривляясь, смещаются. На рис.8 даны примеры рельефа и соответствующие картины полос,

которые видны в микроинтерферометр в местах царапин. Поскольку углубление луч проходит дважды, то при глубине  разность хода интерферирующих лучей увеличивается на λ, что влечет за собой смещение на одну полосу (Рис. 8а). Точность измерений определяется возможностью заметить смещение полосы на 0,1 от расстояния между полосами и той точностью, с которой известна λ. При применении светофильтров (особенно интерференционных) или лазерного света точность измерений повышается. Кроме того, как было показано выше, при увеличении степени монохроматичности используемого света увеличивается общее число полос и становится возможным измерение глубоких неровностей.

Внешний вид прибора показан на Рис. 9. Исследуемый объект помещается на предметный столик 1. Включается источник света S. Рукоятка 2 отключает правое плечо интерферометра с зеркалом Z₁, для чего её нужно поставить в положение (↑). Вращением микрометрического винта 3 добиваются резкого изображения исследуемой поверхности. После этого поворотом рукоятки 2 в положение (→) включают правое плечо интерферометра. При этом должны появиться интерференционные полосы. Незначительным поворотом винта 3 добиваются резкого изображения интерференционных полос. При измерении глубины царапины интерференционные полосы должны быть ориентированы перпендикулярно к направлению царапин.

Микроинтерферометр снабжен окулярным микрометром 4. После получения четких интерференционных полос окулярный микрометр следует повернуть так, чтобы одна из перекрещивающихся нитей была параллельна, а другая перпендикулярна интерференционным полосам. Это облегчает счёт полос и, если нужно, измерение расстояний между ними.

 

Итерферометр Маха – Цендера

Интерферометр Маха – Цендера (Рис.10) состоит из четырех зеркал: полупрозрачных B и С и глухих A и D. Входящий световой пучок расщепляется полупрозрачным зеркалом B на два пучка равной интенсивности, которые после

отражения сводятся вместе вторым полупрозрачным зеркалом С. На выходе имеются две плоские световые волны, распространяющиеся в близких направлениях. Обычно выходящие пучки не строго параллельны, и интерференционная картина имеет вид системы из параллельных полос. Так как диаметр пучка мал (менее 1 мм) наблюдать интерференционную картину невооруженным глазом невозможно.

Для увеличения размеров интерференционной картины на пути двух пучков помещают рассеивающую или собирающую линзу с малым фокусным расстоянием. На рисунке 11 приведена более детальная схема устройства интерферометра. Все зеркала установлены в двухосевых держателях, обеспечивающих юстировку прибора. Расстояние между центрами зеркал: l =250 мм, h =80 мм. Указанные размеры позволяют вводить в плечи интерферометра кюветы с исследуемым газом.

Интерферометр Фабри-Перо

Интерферометр Фабри-Перо широко используется при решении как фундаментальных, так и прикладных задач в областях спектроскопии, квантовой электроники, астрофизики, газодинамики, космических и термоядерных исследований, метрологии и спектрального анализа. Он позволяет получить ценную информацию при изучении атомов и молекул плазмы, газообразных, жидких и твердых тел. Действие этого интерферометра основано на многократном отражении света двумя параллельными зеркалами и многолучевой интерференции выходящих из этой системы лучей света. Обычно интерферометр Фабри-Перо выполняется в виде двух плоских (или сферических) полупрозрачных зеркал, разделённых промежутком (часто воздушным). Интерферометр может быть выполнен также в виде плоскопараллельной пластинки (например, из стекла или кварца), поверхности которой покрыты отражающими слоями.

Отражение света от двух параллельных плоскостей приводит к образованию локализованных в бесконечности (или в фокальной плоскости линзы) интерференционных полос равного наклона. В некоторую точку P фокальной плоскости линзы собираются лучи, которые до линзы образуют с ее оптической осью один и тот же угол θ (Рис.12). Разность хода Δ двух соседних интерферирующих лучей определяется формулой: Δ=2nhcosθ’. Максимумы интенсивности в проходящем свете расположатся там, где Δ составляет целое число длин волн:

2nhcos θ’=mλ. (5)

Линиям равных интенсивностей соответствует одно и то же значение угла θ, поэтому интерференционные полосы в фокальной плоскости линзы имеют вид концентрических колец с центром на оси линзы. Центру картины соответствует наибольший порядок интерференции. При этом расположение максимумов интенсивности будет таким же, как в полосах равного наклона при двулучевой интерференции. Но по выходе из пластины интерферирует не два когерентных луча, а N лучей. Это приводит, в отличие от двулучевой интерференции (Рис.13a), к образованию ярких и резких максимумов (Рис.13b), что

 

 

позволяет заметно увеличить разрешающую способность спектрального прибора.

В настоящей работе используется модель интерферометра Фабри-Перо, изготовленная на базе школьного комплекта приборов для изучения свойств электромагнитных волн. Электрическая блок-схема этой установки приведена на Рис.14: 1 – излучатель сантиметровых электромагнитных волн, промодулированных по амплитуде звуковой частотой, 2 –приемник, в котором происходит детектирование звуковой частоты, 3- высоковольтный выпрямитель, 4-усилитель звуковой частоты, 5-динамик. Электромагнитные волны от излучателя 1 параллельным пучком через металлическую пластину с набором круглых отверстий направляются на приемник 2. Металлическая пластина с отверстиями исполняет роль зеркала. На входе приемника 2 находится такое же зеркало. Часть электромаг нитного излучения, попадая в пространство между металлическими зеркалами, испытывает многократное отражение и образует в зависимости от разности хода максимумы или минимумы интерференции, которые фиксируются по громкости звучания и показаниям амперметра.

 

 

Интерференционный светофильтр.

Если расстояние между пластинами интерферометра Фабри-Перо (Рис. 12.) сделать очень малым (порядка λ), то такое устройство можно использовать как светофильтр с очень узкой полосой пропускания Δλ. Действительно, через такой слой пройдет свет только той длины волны λ, которая очень строго удовлетворяет условию максимума (5). Расстояние h должно быть малым, чтобы не могло произойти усиление также и для длины волны λ+Δλ, но с меньшим порядком m:

(6)

Для того чтобы выполнялось условие (6), надо чтобы m было меньше , т.е. либо должно быть малым m, либо Δλ должно быть уменьшено предварительным фильтрованием через другой светофильтр или спектрограф.

Обычно интерференционный светофильтр располагается нормально к падающим лучам. При наклоне интерференционного светофильтра согласно условию максимума интерференции (5) длина волны λ, которую он пропускает, изменяется. Изготавливают такие светофильтры, чаще всего напыляя на тонкое стекло многослойные прозрачные диэлектрические покрытия.

 

Задания и указания к выполнению

(Номера заданий, которые следует выполнить, называет преподаватель).

Задание 1. Подготовить на интерферометре Майкельсона демонстрации интерференционных картин в виде полос равной толщины и полос равного наклона. Показать полученные картины преподавателю. На рис. 15 представлена фотография рабочей установки: 1 – зеркало Z₁, 2 – плоскопараллельная светоделительная пластинка, 3 – зеркало Z₂. Компенсационная пластинка отсутствует, так как для получения интерференционной картины используется гелий-неоновый лазер.

 

Для получения полосы равной толщины необходимо на экране получить два световых пятна. Затем, используя юстировочные винты зеркала Z₂, совместить эти пятна.

Для того чтобы получить кольца равного наклона, необходимо, во-первых, с помощью трех опорных винтов и водяного уровня установить основание интерферометра в горизонтальном положении. Добиться, чтобы луч лазера падал на поверхность зеркал нормально. В этом случае лучи, отраженные от зеркал и прошедшие через светоделительную пластинку в сторону лазера должны попасть в выходное отверстие лазера.

 Затем с помощью юстировочных винтов зеркала Z₁ необходимо расширить до максимально возможного предела интервал между полосами равной толщины. Установить между лазером и светоделительной пластинкой короткофокусную линзу (Рис.16) так, чтобы поверхность зеркал была равномерно освещена. Спроектировать полученную картину на экран.

Задание 2. С помощью винтового окулярного микрометра измерить на микроинтерферометре Линника глубину какой-либо царапины. Для этого включить лампу, положить на столик прибора образец исследуемой поверхностью вниз к объективу, отключить правое плечо интерферометра с зеркалом Z₁, для чего поставить рукоятку 2 в положение (↑) (Рис.9). Вращением микрометрического винта получить четкое изображение поверхности. Затем поворотом рукоятки 2 в положение (→) включить правое плечо интерферометра и установить микроскоп на наиболее резкое изображение интерференционных полос. Окулярный микрометр развернуть так, чтобы одна из линий перекрытия была направлена вдоль полос.

Измерить в делениях барабана винтового окулярного микрометра ширину интерференционной полосы: совместить одну из линий перекрестия окулярного микрометра с серединой выбранной полосы, снять отсчет N₁, затем совместить эту же нить перекрестия с серединой соседней полосы и снять второй отсчет N₂. При работе в белом свете все измерения производят по двум черным полосам, наводку производить на середину полосы.

Измерить в месте расположения царапины величину изгиба полосы: поворотом столика вокруг вертикальной оси интерференционные полосы ориентировать перпендикулярно к направлению царапины, совместить одну из линий перекрестия окулярного микрометра с серединой полосы, снять отсчет N₃, затем совместить нить перекрестия с серединой этой же полосы в месте изгиба и снять второй отсчет N₄. Оценить в долях ширины интерференционной полосы величину изгиба ΔN и глубину царапины t в микрометрах:

, . (7)

При использовании белого света считать .

Задание 3. Измерить полосу пропускания Δλ имеющихся в микроинтерферометре светофильтров. Для этого получить на микроинтерферометре интерференционную картину от гладкой зеркальной поверхности. Установить светофильтр и подсчитать полное число N видимых полос:

, (8)

(N₃-N₄) – ширина в делениях окулярного микрометра всего поля зрения хорошо видимых полос, (N₁-N₂) – ширина одной полосы. Так как количество наблюдаемых полос совпадает с максимальным порядком интерференции,

N= k_{пред .}= , (9)

.   (10)

Проделать это с обычным светофильтром из цветного стекла. Сравнить результаты.

Задание 4. Измерить микроинтерферометром толщину напыленного на гладкую поверхность тонкого слоя. Для этого надо найти место, где напыленный слой кончается, образуя ступеньку (Рис.8в). Путем счета числа полос, на которое происходит сдвиг, определить высоту ступеньки, а, следовательно, и слоя.

Задание 5. Измерить на интерферометре Маха-Цендера зависимость показателя преломления воздуха от давления. Для этого включите лазер, убедитесь в том, что пучки излучения проходят через окна зеркал, не задевая их оправ. Установите экран и винтами зеркала A (Рис.11) совместите световые пятна на экране. Регулировочными винтами зеркал добейтесь по возможности горизонтальной ориентации полос и получите удобные для измерений размеры полос.

Винтами зеркала A сместите следы пучков света на экране так, чтобы они не перекрывались. Возвращая пучки обратно, обратите внимание на то, что интерференционная картина возникает сразу же, как только пучки «зацепятся» друг за друга, т. е. при наложении любых двух частей исходного пучка. Это означает высокую пространственную когерентность лазерного излучения, излучение когерентно по всему сечению пучка.

В кронштейнах поворотного столика интерферометра в один из пучков излучения установите кювету с пневмоблоком. Изменение давления на ΔP приведет к изменению показателя преломления воздуха на Δn. Возникает дополнительная разность хода Δ = l Δn, что приведет к смещению интерференционной картины на Δm полос:

Δ ₁ = l (n ₁ - n ₀)= m ₁ λ ₀, Δ ₂ = l (n ₂ - n ₀)= m ₂ λ ₀, Δ ₂ - Δ ₁ = Δ = l (n ₂ - n ₁)= (m ₂ - m ₁) λ ₀, (11) здесь n ₁ – первоначальный показатель преломления воздуха в кювете, n ₂ –показатель преломления воздуха в кювете после изменения давления, n ₀ –показатель преломления воздуха в лаборатории; m ₁, m ₂ –номер (или порядок) интерференционной полосы в одной и той же точке интерференционной картины на экране. Из приведенных выше соотношений получаем l Δn = Δm λ ₀ и

 (12)

Разделим выражение (12) на ΔP и преобразуем к виду:

 (13)

Если отношение Δn / ΔP остается постоянным при изменении давления, то зависимость показателя преломления воздуха от давления будет носить линейный характер и ее можно представить в виде:

 (14)

P –давление воздуха, для вакуума n =1, P =0.

Создайте в кювете избыточное давление 300 мм. рт. столба. Аккуратно приоткрывая кран помпы пневмоблока, снижайте давление и следите за смещением интерференционных полос. Через каждые 1-2 полосы закрывайте кран и фиксируйте давление. Результаты измерений внесите в таблицу:

P 1,мм.рт.ст
Δm	2	4	6	8	10
300- P 1

P ₁ – избыточное давление.

Постройте график зависимости ΔN = f (300- P ₁), убедитесь в его линейности. Из графика найдите  и по формуле (14) найдите показатель преломления воздуха в лаборатории. Необходимое значение давления воздуха в лаборатории определите по барометру, l =120мм, λ ₀ =0,6328мкм.

Задание 6. Продемонстрируйте смену цвета, пропускаемого интерференционным светофильтром при его повороте. Для этого можно использовать обычную проекцию (см. работу №4), устанавливая фильтр на место проектируемого объекта. Можно это наблюдать и субъективно, глядя через светофильтр на неярк