FEDERĀLĀ IZGLĪTĪBAS AĢENTŪRA
VALSTS PROFESIONĀLĀS AUGSTĀKĀS IZGLĪTĪBAS IESTĀDE
DONAS VALSTS TEHNISKĀ UNIVERSITĀTE
Fizikas katedra
Šķīdumu koncentrācijas noteikšana, izmantojot Rayleigh interferometru
Laboratorijas darbu vadlīnijas № 12
fizikā
(Sadaļa "Optika")
Rostova pie Donas 2011
Sastādījis: Tehnisko zinātņu doktors, prof. S.I. Jegorova,
Ph.D., asoc. I.N. Egorovs,
Fizikas un matemātikas zinātņu kandidāts, asoc. G.F. Lemeško.
"Šķīdumu koncentrācijas noteikšana, izmantojot Rayleigh interferometru": metode. instrukcijas. - Rostova n / a: DSTU izdevējdarbības centrs, 2011. - 8 lpp.
Publicēts ar Nanotehnoloģiju un kompozītmateriālu fakultātes Metodiskās komisijas lēmumu
Zinātniskā redaktore prof., d.t.s. V.S. Kunakovs
© DSTU izdevējdarbības centrs, 2011
Mērķis: 1. Izpētīt Rayleigh interferometra darbības principu.
2. Izpētīt traucējumu parādības, izmantojot Rayleigh interferometru.
3. Noteikt etilspirta koncentrāciju ūdenī.
Aprīkojums: Rayleigh interferometrs, kivetes ar testa šķīdumiem.
Īsa teorija
Traucējumi - tā ir koherentu viļņu superpozīcija, kurā notiek gaismas plūsmas telpiskā pārdale, kā rezultātā dažās vietās parādās maksimumi, bet citās - gaismas intensitātes minimumi.
saskaņots sauc par vienādas frekvences un nemainīgas fāzes starpības viļņiem. Lai iegūtu koherentus viļņus, ir nepieciešams sadalīt gaismas staru, kas izplūst no viena avota.
Interferences zīmējumu var iegūt, izmantojot ierīci ITR-1, kuras pamatā ir Reilija interferometra shēma, kurā traucējumu zīmējumu iegūst no diviem koherentiem gaismas stariem, kas iet cauri divām paralēlām spraugām (1. att.).
gaisma no avota 1 (kvēlspuldze) tiek montēts, izmantojot kondensatoru uz slota 2 kas atrodas kolimatora lēcas fokusa plaknē 3 . Paralēlu staru kūli, kas izplūst no objektīva, atdala divas apertūras spraugas 4 . Šīs spraugas var uzskatīt par diviem sekundāro gaismas viļņu avotiem, kas ir saskaņoti.
Caur objektīvu iziet saskaņoti gaismas stari 6 , turklāt siju augšējā daļa iet cauri kivetēm 5 (1. att.), un apakšējā ir tieši vērsta uz objektīvu. Rezultātā divi koherentu staru pāri iejaucas objektīva fokusa plaknē. Interferences modelis, kas veidots no diviem spraugām, ir tumšu un gaišu svītru sistēma. Tumšās (minimālais stāvoklis) vai gaišās (maksimālais stāvoklis) joslas pozīciju nosaka traucējošo staru optiskā ceļa atšķirība:
- maksimālais stāvoklis, (1)
- minimālais nosacījums, (2)
kur 
- optiskā ceļa starpība, kas ir vienāda ar optiskā ceļa garumu starpību, t.i. 
,
(3)
šeit 
- refrakcijas rādītāji, 
- gaismas cauri ceļi, 
- gaismas viļņa garums 
- maksimālā vai minimuma secība.
Novērošana tiek veikta caur okulāru 7 (1. att.).
Interferences modelis ir parādīts 2. attēlā. Stari, kas iet garām kivetēm, veido apakšējo interferences modeli, un stari, kas iet cauri kivetēm, veido augšējo. Papildu atšķirība staru ceļā kivetēs izraisa augšējās sistēmas nobīdi attiecībā pret apakšējo. Ja šūnas ir piepildītas ar gāzēm vai šķidrumiem ar dažādiem refrakcijas rādītājiem, tad parādīsies papildu ceļa atšķirība, ko nosaka formula (3).
Ar kompensējošās ierīces palīdzību var kombinēt sloksnes sistēmas (3. att.).
Šajā darbā vienāda garuma kivetes ( 
). Viens no tiem satur destilētu ūdeni, bet otrs satur etilspirta šķīdumu ūdenī. Tāpēc papildu atšķirība staru ceļā:
,
(4)
kur 
- kivetes garums, 
ir attiecīgi šķīduma un destilēta ūdens refrakcijas rādītāji.
Rayleigh interferometrs
Animācija
Apraksts
Rayleigh interferometrs ir viena no visjutīgākajām traucējumu ierīcēm pret viļņu fāzu iebrukuma atšķirībām, kas ļauj to izmantot, lai precīzi noteiktu gāzu laušanas koeficientus atmosfēras spiedienam tuvu (pie šī spiediena atšķiras atbilstošais laušanas koeficients no vienotības ceturtajā līdz piektajā zīmē aiz komata) .
Rayleigh interferometra konstrukcijas shematisks attēlojums ir parādīts attēlā. viens.
Rayleigh interferometra konstrukcijas shematisks attēlojums
Rīsi. viens
Gaismas staru no gandrīz punktveida avota S, kas atrodas objektīva fokusā, šis objektīvs pārvērš paralēlā starā. Tālāk aiz objektīva atrodas diafragma ar diviem caurumiem, kas ir simetriski ap sistēmas galveno asi - sekundārajiem avotiem S 1 un S 2, veidojot divus paralēlus plānus starus. Pēc tam šie stari tiek fokusēti ar otru objektīvu uz ekrāna, kas atrodas tā fokusa plaknē. Rezultāts ir horizontālu svītru interferences modelis, kā parādīts attēlā. Šajā gadījumā, ja nav papildu objektu ar refrakcijas indeksiem n 1 (šūna ar pētāmo gāzi) un n 2 (fāzes nobīdes kompensators ar zināmu kontrolētu optiskā starojuma fāzes nobīdi tajā), nulles maksimums. traucējumu modelis atrodas uz sistēmas ass. Nulles maksimums ir maksimums, kas atbilst traucējumu modeli veidojošo viļņu nulles ceļa starpībai D. Izmantojot platjoslas starojumu (piemēram, dabisko gaismu), to viegli atšķirt no augstākas kārtas maksimumiem m:
D \u003d m l 0,
kur l 0 ir starojuma spektra centrālais viļņa garums.
Patiešām, ir viegli saprast, ka tikai tai ir sākotnējā baltā krāsa, savukārt augstākas kārtas maksimumi ir “izstiepti spektrā”, jo maksimālie apstākļi tiek sasniegti dažādos pārvietojumos no centra. modelis dažādiem staru kūļa spektra viļņu garumiem.
Ja tagad divos staros, kas izplatās starplēcu telpā (tā sauktajās interferometra svirās), ievadām šūnu ar garumu L ar pētāmo gāzi n 1 un kontrolētu optisko aizkavi n 2 (piemēram, tajā pašā šūnā ar gāzi, kuras refrakcijas koeficients ir atkarīgs no spiediena), tad sijas saņems papildu ceļa starpību:
D 1 \u003d L (n 2 - n 1).
Tādējādi traucējumu modeļa nulles mala nobīdīsies, un lauka centrs iegūs krāsu.
Lai "atgrieztu attēlu savā vietā", ir nepieciešams izlīdzināt pētāmās gāzes un references gāzes refrakcijas koeficientus divās kivetēs, kas tiek panākts, mainot pēdējās spiedienu. Rezultātā, atjaunojot nulles “baltās” joslas centralitāti (un to var izdarīt ar augstu precizitāti, apmēram 1/40 no joslas, D m Ј 1/40 ), mēs iegūstam precīzu informāciju par pētāmās gāzes refrakcijas indekss. Reāli instrumenti, kas izgatavoti pēc Rayleigh interferometra shēmas, ļauj izmērīt refrakcijas indeksa atšķirības no vienības pēc formulas:
(n-1)= l 0 D m/L » 10 -8 .
Laiks
Uzsākšanas laiks (log no -8 līdz -7);
Kalpošanas laiks (log tc -7 līdz 15);
Degradācijas laiks (log td -8 līdz -7);
Optimālais izstrādes laiks (log tk -6 līdz -5).
Diagramma:
Efekta tehniskās realizācijas
kas ļauj to izmantot, lai precīzi noteiktu gāzu laušanas koeficientus atmosfēras spiedienam tuvu spiedienā (šajā spiedienā atbilstošais laušanas koeficients atšķiras no vienības ceturtajā līdz piektajā zīmē aiz komata).Paralēls gaismas stars krīt uz plakani paralēlas stikla plāksnes M 1 , uz kuras aizmugurējās virsmas ir uzklāts metāla spogulis. Divi atstarotie stari izrādās telpiski atdalīti pie pietiekama plāksnes biezuma un tiek virzīti atsevišķi divās šūnās ar attiecīgi pētāmo gāzi un etalongāzi ( n 1 un n 2). Pārvadītie stari tiek atstaroti no vēl vienas tādas pašas stikla plāksnes M 2 . Tādējādi abi atstarotie stari izrādās vienādi pēc intensitātes un saplūst objektīva L fokusa plaknē. Rezultātā ekrānā E parādās horizontālu svītru interferences raksts. Šajā gadījumā, ja nav objektu ar refrakcijas rādītāji pa staru izplatīšanos n 1 un n 2, traucējumu modeļa nulles maksimums atrodas uz sistēmas ass. Mainot gaisa spiedienu, ekrāna svītras mainās.
| A |
| C |
| B |
Šai ierīcei ir bijusi ļoti nozīmīga loma zinātnes vēsturē. Ar tās palīdzību, piemēram, tika pierādīts "pasaules ētera" trūkums.
Paralēlais gaismas stars no avota S, kas iet cauri lēcai, nokrīt uz caurspīdīgas plāksnes P 1, kur tas ir sadalīts staros 1 un 2. Pēc atstarošanas no spoguļiem M 1 un M 2 un iziet cauri plāksnei P 1 atkal abi stari nonāk objektīvā O. Optiskā gājiena starpība DL= 2(AC - AB) = 2 l, kur l- attālums starp spoguli M 2 un spoguļa M 1 iedomāto attēlu M¢ 1 plāksnē P 1 . Tādējādi novērotais traucējumu modelis ir līdzvērtīgs traucējumiem gaisa plāksnē ar biezumu l. Ja spogulis M 1 atrodas tā, lai M¢ 1 un M 2 būtu paralēli, tad veidojas vienāda slīpuma joslas, kas lokalizētas objektīva O fokusa plaknē un kurām ir koncentrisku gredzenu forma. Ja M 2 un M¢ 1 veido gaisa ķīli, tad parādās vienāda biezuma sloksnes, kas lokalizētas ķīļa M 2 M¢ 1 plaknē un attēlo paralēlas līnijas.
Miķelsona interferometru plaši izmanto fiziskos mērījumos un tehniskajos instrumentos. Ar tās palīdzību pirmo reizi tika izmērīta gaismas viļņa garuma absolūtā vērtība un pierādīta gaismas ātruma neatkarība no Zemes kustības. Pārvietojot vienu no Miķelsona interferometra spoguļiem, kļūst iespējams analizēt krītošā starojuma spektrālo sastāvu. Uz šī principa ir uzbūvēti Furjē spektrometri, kurus izmanto spektra garo viļņu infrasarkanajam apgabalam (50-1000 μm) cietvielu fizikas, organiskās ķīmijas un polimēru ķīmijas un plazmas diagnostikas uzdevumu risināšanā.
Miķelsona interferometrs ļauj izmērīt garumus ar precizitāti 20-30 nm. Ierīci mūsdienās izmanto astronomiskajos, fizikālajos pētījumos, kā arī mērīšanas tehnoloģijās. Jo īpaši Michelson interferometrs ir mūsdienu lāzera gravitācijas antenu optiskā dizaina pamatā.
4. Mach-Zehnder interferometrs .Austriešu fiziķis Ernsts Maks, lielākais aerodinamisko procesu pētnieks, izstrādāja īpašu interferometru ar platiem stariem un lielu attālumu starp spoguļiem, lai reģistrētu triecienviļņus un gaisa plūsmu triecienviļņus ap dažādiem ķermeņiem. Gaisa laušanas koeficients blīvā plūsmā ir augstāks nekā neskartā vidē. Tas atspoguļojas traucējumu līniju formā.
15. lekcija.
Huygens-Fresnel princips. Freneļa zonas metode. Vektoru diagramma. Difrakcija no apaļa cauruma un apaļa diska. Fraunhofera difrakcija no spraugas. Ierobežot pāreju no viļņu optikas uz ģeometrisko.
Difrakcija - tā ir novirze no gaismas taisnvirziena izplatīšanās, ja tā nevar būt gaismas staru atstarošanas, laušanas vai lieces sekas, ko izraisa laušanas koeficienta telpiskās izmaiņas. Šajā gadījumā novirze no ģeometriskās optikas likumiem ir mazāka, jo mazāks ir gaismas viļņa garums.
komentēt. Nav būtiskas atšķirības starp difrakciju un traucējumiem. Abas parādības pavada gaismas plūsmas pārdale viļņu superpozīcijas rezultātā.
Difrakcijas piemērs ir parādība, kad gaisma krīt uz necaurspīdīgu starpsienu ar caurumu. Šajā gadījumā uz ekrāna aiz nodalījuma ģeometriskās ēnas robežas apgabalā tiek novērots difrakcijas modelis.
Ir ierasts atšķirt divus difrakcijas veidus. Gadījumā, ja uz nodalījuma krītošo vilni var raksturot ar staru sistēmu paralēli viens otram (piemēram, kad gaismas avots atrodas pietiekami tālu), tad runā par Fraunhofera difrakcija jeb difrakcija paralēlos staros. Citos gadījumos viņi runā par Freneļa difrakcija jeb diverģentā difrakcija .
Aprakstot difrakcijas parādības, ir jāatrisina Maksvela vienādojumu sistēma ar atbilstošajiem robež- un sākuma nosacījumiem. Taču atrast šādu risinājumu vairumā gadījumu ir ļoti grūti. Tāpēc optikā bieži tiek izmantotas aptuvenās metodes, kuru pamatā ir Huygens princips Fresnela vai Kirchhoff vispārinātajā formulējumā.
Huygens princips.
Paziņojums par Huygens principu . Katrs vides punkts, uz kuru kādā brīdī t viļņu kustība ir sasniegusi, kalpo kā sekundāro viļņu avots. Šo viļņu apvalks norāda viļņu frontes stāvokli nākamajā slēgšanas brīdī t+dt. Sekundāro viļņu rādiusi ir vienādi ar gaismas fāzes ātruma un laika intervāla reizinājumu: .
| Ģeometriskās ēnu robežas |
Huygens-Fresnel princips.
Fresnels papildināja Huygens principu ar ideju par sekundāro viļņu traucējumiem. No sekundāro viļņu amplitūdām, ņemot vērā to fāzes, var atrast iegūtā viļņa amplitūdu jebkurā telpas punktā.
Katrs mazais viļņa virsmas elements ir sekundāra sfēriskā viļņa avots, kura amplitūda ir proporcionāla elementa vērtībai dS un kura vienādojumam gar staru ir šāda forma:
kur a 0 - koeficients, kas ir proporcionāls punktu svārstību amplitūdai uz viļņa virsmas dS, - koeficients atkarībā no leņķa q starp staru un vektoru un tāds, ka tad, kad tas iegūst maksimālo vērtību, un kad - minimālo (tuvu nullei).
Rezultātā radušās svārstības kādā novērošanas punktā R pēc tam tiek noteikts ar Huygens-Fresnel principa analītisko izteiksmi, ko atvasināja Kirhhofs:
| dS |
Precīzs aprēķins pēc šīs formulas ir diezgan laikietilpīga procedūra, tāpēc praksē šī integrāļa atrašanai var izmantot aptuvenas metodes.
Lai atrastu svārstību amplitūdu novērošanas punktā P visa viļņa virsma S var sadalīt sekcijās vai Fresnel zonās. Pieņemsim, ka novērojam difrakciju diverģentos staros (Fresnel difrakcija), t.i. apsveriet sfērisku vilni, kas izplatās no kāda avota L. Ļaujiet vilnim izplatīties vakuumā.
Piefiksēsim viļņu virsmu kādā brīdī t. Ļaujiet šīs virsmas rādiusam būt a. Līnija LPšķērso šo virsmu punktā PAR. Pieņemsim, ka attālums starp punktiem PAR Un R vienāds b. no punkta R secīgi novietojiet malā sfēras, kuru rādiusi. Divas blakus esošās sfēras “nogriež” gredzena sekcijas uz viļņa virsmas, ko sauc par Fresnela zonām. (Kā jūs zināt, divas sfēras krustojas pa apli, kas atrodas plaknē, kas ir perpendikulāra tai taisnei, uz kuras atrodas šo sfēru centri). Atrodiet attālumu no punkta PAR līdz zonas robežai ar numuru m. Lai Fresnela zonas ārējās robežas rādiuss būtu r m . Jo viļņa virsmas rādiuss ir a, tad
Tajā pašā laikā, tajā pašā laikā,
Tāpēc, kur.
Redzamiem viļņu garumiem un ne īpaši lieliem skaitļiem m mēs varam neņemt vērā terminu salīdzinājumā ar m l. Tāpēc šajā gadījumā un rādiusa kvadrātam mēs iegūstam izteiksmi: , kurā pēdējo vārdu atkal var neņemt vērā. Tad rādiuss m Freneļa zona (atšķirīgai difrakcijai):
Sekas. Difrakcijai paralēlos staros (Fraunhofera difrakcija) Fresnela zonu rādiusu iegūst, pārejot uz robežu a®¥:
Tagad salīdzināsim Fresnela zonu apgabalus. Sfēriskas virsmas segmenta laukums, kas atrodas iekšpusē m-th zona, kā jūs zināt, ir vienāda ar: . Zonas numurs m starp zonu robežām ar cipariem m Un m- viens. Tātad tā platība ir:
Pēc transformācijām izteiksmei būs šāda forma: .
Ja neņemam vērā vērtību, tad no izteiksmes izriet, ka maziem skaitļiem zonu platība nav atkarīga no skaitļa m .
| b+D |
| b+2×D |
| b+3×D |
| b+ n× D |
| P |
| O |
| zonas numurs 1 |
| zonas numurs 1.1 |
| zonas numurs 1.2 |
| zonas numurs 1.3 |
| zonas numurs 1. n utt. |
| A 1.1 |
| A 1.2 |
| A 1.3 |
| d |
| d |
| A 1.S |
Iegūtās amplitūdas atrašana novērošanas punktā R ražots šādā veidā. Jo izstarotie sekundārie viļņi ir koherenti un attālumi no blakus esošajām robežām līdz punktam R atšķiras par pusi no viļņa garuma, tad fāzu starpība svārstībām no sekundāriem avotiem šajās robežās, nonākot līdz punktam R, ir vienāds ar p (tiek teikts, ka svārstības nāk pretfāzē). Tāpat jebkuras zonas jebkuram punktam noteikti būs punkts blakus zonā, no kura vibrācijas nāk uz punktu R antifāzē. Viļņa vektora amplitūdas lielums ir proporcionāls zonas laukumam: . Bet zonu platības ir vienādas un ar skaita pieaugumu m leņķis q palielinās, tātad vērtība samazinās. Tāpēc mēs varam uzrakstīt sakārtotu amplitūdu secību: . Amplitūdas-vektori diagrammā, ņemot vērā fāzu starpību, šī secība ir attēlota ar pretēji vērstiem vektoriem, tāpēc
Sadalīsim pirmo zonu lielā skaitā N iekšējās zonas tāpat kā iepriekš, bet tagad attālumi no divu blakus esošo iekšējo zonu robežām līdz punktam R atšķirsies par nelielu daudzumu. Tāpēc fāzu starpība viļņiem, kas ierodas punktā R, būs mazs. Amplitūdas vektoru diagrammā katras iekšējās zonas amplitūdas vektors tiks pagriezts par nelielu leņķi d attiecībā pret iepriekšējo, tāpēc kopējās svārstību amplitūda no pirmajām vairākām iekšējām zonām atbildīs savienojošajam vektoram. lauztās līnijas sākums un beigas. Palielinoties iekšējās zonas skaitam, kopējā fāžu starpība palielināsies un pie pirmās zonas robežas kļūs vienāda ar p. Tas nozīmē, ka amplitūdas vektors no pēdējās iekšējās zonas ir vērsts pretī amplitūdas vektoram no pirmās iekšējās zonas. Bezgalīgi liela iekšējo zonu skaita robežās šī lauztā līnija pāries spirāles daļā.
| F |
No attēla redzams, ka amplitūdai no pirmās zonas var iegūt novērtējumu: , tātad intensitāte no pirmās zonas ir 4 reizes lielāka par krītošā viļņa intensitāti. Vienlīdzību var interpretēt arī citādi.
Ja bezgalīgam atvērto zonu skaitam kopējo amplitūdu raksta šādi: ,
kur m ir pāra skaitlis, tad no vienādības izriet šāds novērtējums: .
komentēt. Ja mēs kaut kādā veidā mainām svārstību fāzes punktā R no pāra vai nepāra zonām uz p, vai slēgt pāra vai nepāra zonas, tad kopējā amplitūda palielināsies salīdzinājumā ar atvērtā viļņa amplitūdu. Šim īpašumam ir zonas plāksne - plakana paralēla stikla plāksne ar iegravētiem koncentriskiem apļiem, kuru rādiusi sakrīt ar Fresnela zonu rādiusiem. Zonas plāksne "izslēdz" pāra vai nepāra Fresnel zonas, kas noved pie gaismas intensitātes palielināšanās novērošanas punktā.
Difrakcija apļveida caurumā.
Iepriekš sniegtais pamatojums ļauj secināt, ka svārstību amplitūda punktā R atkarīgs no Freneļa zonu skaita. Ja novērošanas punktam ir atvērts nepāra skaits Fresnel zonu, tad šajā punktā būs maksimālā intensitāte. Ja ir atvērts pāra skaits zonu, tad minimālā intensitāte.
Difrakcijas zīmējumam no apaļa cauruma ir mainīgi gaiši un tumši gredzeni.
Palielinoties cauruma rādiusam (un palielinoties Fresnel zonu skaitam), tumšo un gaišo gredzenu maiņa tiks novērota tikai netālu no ģeometriskās ēnas robežas, un iekšpusē apgaismojums praktiski nemainīsies.
Maza diska difrakcija.
Apskatīsim eksperimenta shēmu, kurā gaismas viļņa ceļā atrodas necaurspīdīgs apaļš disks, kura rādiuss ir samērīgs ar pirmo Fresnela zonu rādiusiem.
Lai ņemtu vērā difrakcijas modeli, papildus parastajām zonām mēs izveidojam papildu zonas no diska malas.
| b |
| b+(l/2) |
| b+2 (l/2) |
| b+3 (l/2) |
| P |
| O |
| L |
| zona nr.3 zona nr.2 zona nr.1 utt. |
| a |
Freneļa zonas no diska malas tiks veidotas pēc iepriekšējā principa - attālumi no divu blakus zonu robežām līdz novērošanas punktam atšķiras par pusi no viļņa garuma. Amplitūda novērošanas punktā
ņemot vērā, vērtējums būs vienāds. Līdz ar to novērošanas punktā, ģeometriskās ēnas centrā, vienmēr būs spilgts punkts - maksimālā intensitāte. Šo vietu sauc Poisson vieta.
Piemērs. Uz necaurspīdīga diska ar diametru D\u003d 0,5 cm, parasti krīt plakans monohromatisks vilnis, kura garums ir l \u003d 700 nm. Atrodiet cauruma diametru diska centrā, pie kura punktā ir gaismas intensitāte R ekrāns (uz sistēmas ass) būs vienāds ar nulli. Attālums starp disku un ekrānu L=2,68 m.
Risinājums. Atrodiet parasto Fresnel zonu skaitu, ko sedz disks. Zonas numurs tiek atrasts no Fresnela zonu rādiusa formulas Fraunhofera difrakcijai: , .
| A3.33 |
| F |
| 30 0 |
| A |
Divstaru interferometri. Rayleigh, Jamin, Michelson, Linnik interferometri. Daudzstaru interferometri (Fabri-Perot interferometrs, Lummer-Hercke plate). Traucējumu filtri
Ja spogulis M1 atrodas tā, lai M´1 un M2 būtu paralēli, veidojas vienāda slīpuma joslas, kas lokalizētas lēcas O2 fokusa plaknē un kurām ir koncentrisku gredzenu forma. Ja M1 un M2 veido gaisa ķīli, tad ir vienāda biezuma sloksnes, kas lokalizētas ķīļa M2 M1 plaknē un attēlo paralēlas līnijas. Ja pētāmā parauga virsmai ir defekts l augstuma padziļinājuma vai izvirzījuma veidā, tad interferences bārkstis ir saliektas. Ja tad traucējumu bārkstis izliekas tā, ka tas aizņem...
51.Divstaru interferometri. Rayleigh, Jamin, Michelson, Linnik interferometri. Daudzstaru interferometri (Fabri-Perot interferometrs, Lummer-Hercke plate). Traucējumu filtri
Interferometrs - mērierīce, kuras darbības pamatā ir viļņu traucējumi.Optiskos interferometrus izmanto spektrālo līniju optisko viļņu garumu, caurspīdīgu nesēju refrakcijas indeksu, objektu absolūtā un relatīvā garuma, zvaigžņu leņķisko izmēru u.c. mērīšanai, optisko daļu un to virsmu kvalitātes kontrolei utt.
Interferometri atšķiras ar koherento viļņu iegūšanas metodēm un to, kādā daudzumā tiešā veidā mēra. Pēc traucējošo gaismas staru skaita optiskos interferometrus var iedalītdaudzstaru un divstaru. Daudzstaru interferometri galvenokārt tiek izmantoti kā traucējumispektrālie instrumentiizpētīt gaismas spektrālo sastāvu. Divstaru interferometri tiek izmantoti gan kā spektrālie instrumenti, gan kā instrumenti fiziskiem un tehniskiem mērījumiem.
Divstaru interferometri
|
Paralēls gaismas stars, kas veidojas, pārejot no avota L caur objektīvu O 1 , krīt uz caurspīdīgas plāksnes P un sadalās divos koherentos staros 1 un 2 . Pēc atspīduma no spoguļiem M 1 un M 2 un atkārtota stara 2 izlaišana caur plāksni P abas sijas iet virzienā AO caur objektīvu O 2 un iejaucas tā fokusa plaknē D. Novērotais traucējumu modelis atbilst traucējumiem spoguļa veidotajā gaisa slānī M 2 un iedomāts attēls M ' 1 spoguļi M 1 plāksnē P 1 . Šajā gadījumā optiskā ceļa starpība ir vienāda ar, kur l - attālums starp M'1 un M2. Ja spogulis M1 atrodas tā, ka M´1 un M2 ir paralēlas, veidojas vienāda slīpuma joslas, kas lokalizētas objektīva O fokusa plaknē 2 un koncentrisku gredzenu veidā. Ja M'1 un M2 veido gaisa ķīli, tad ir vienāda biezuma sloksnes, kas lokalizētas ķīļa plaknē M 2 M' 1 un ir paralēlas līnijas. Miķelsona interferometru plaši izmanto fiziskos mērījumos un tehniskajos instrumentos. Izmantojot to, pirmo reizi tika izmērīta gaismas viļņa garuma absolūtā vērtība, pierādīta gaismas ātruma neatkarība no avota kustības utt. To izmanto arī kā spektrālo instrumentu starojuma spektru analīzei ar augsta izšķirtspēja (līdz ~ 0,005 cm-1 ). |
|
Līdzīgi kā Miķelsona interferometramLinnik mikrointerferometrs.Tajā no divām taisnstūrveida prizmām salīmēts kubs kalpo kā staru sadalīšanas ierīce. Robeža, pa kuru tiek līmētas prizmas, ir puscaurspīdīga, tāpēc traucējošie stari ir vienādas intensitātes. Lēcas fokusa plaknē vienlaikus ir redzama pētāmā objekta virsma, kas aizvieto spoguli M 2 , un traucējumu modelis. Ja testa parauga virsmai ir defekts padziļinājuma vai izvirzījuma formā ar augstumu l , tad traucējumu bārkstis ir saliektas. Ja, tad interferences bārkstis ir saliekta tā, lai tā ieņemtu tās bārkstis pozīciju, kurai traucējumu secība par vienu atšķiras no analizētās bārkstis. Ja sloksnes izliekums ir k joslas, tad optiskā ceļa atšķirība virsmas defekta dēļ, kur ir viegli atrast nelīdzenuma augstumu: . Linnik mikrointerferometrs tiek izmantots pulēta metāla kvalitātes kontrolei virsmas. |
Interferences refraktometrus izmanto, lai mērītu gāzu un šķidrumu refrakcijas rādītājus. Viens no viņiem -Jamin interferometrs.
Komplekts S monohromatiska gaisma pēc atstarošanas no pirmās stikla plāksnes P priekšējās un aizmugurējās virsmas 1 sadalās divos saišķos S 1 un S 2 . Pēc izlaišanas cauri kivetēm 1 un K 2 un atspulgi no stikla plāksnes virsmām Р 2 , slīpi nelielā leņķī attiecībā pret plāksni P 1 , stari iekļūst teleskopā T un traucē, veidojot taisnas joslas ar vienādu slīpumu.
Ja viena no kivetēm ir piepildīta ar vielu ar refrakcijas indeksu n 1 , bet otrs - viela ar refrakcijas indeksu n 2 , tad ar traucējumu modeļa nobīdi pēc bārkstiņu skaita m salīdzinot ar situāciju, kad abas kivetes ir pildītas ar vienu un to pašu vielu, var konstatēt refrakcijas koeficientu atšķirību, kur es esmu kivetes garums. Daudzuma mērīšanas precizitāteir ļoti augsts un var sasniegt septīto un pat astoto zīmi aiz komata.Mērot nulles kārtas traucējumu bārkstis ar kompensatora palīdzību tiek atgriezta teleskopa redzes lauka centrā. UZ , kuram sākotnēji ir izveidots grafiks par slīpuma leņķa atkarību no ceļa starpības, kas izteikts joslu skaitā. Lai monohromatizētu starojumu, ierīces ķēdē tiek ievadīts gaismas filtrs F .
Tos izmanto arī gāzu un šķidrumu refrakcijas indeksu precīziem mērījumiemRayleigh interferometrs. Tās optiskā shēma ir parādīta 4. attēlā.
Gaisma no spraugas S kolimēts ar objektīvu L1 un pēc tam uzkrīt uz divām citām spraugām S 1 un S 2 , paralēlas spraugas S . Paralēli gaismas stari no S 1 un S 2 iziet cauri dažādām kivetēm T 1 un T 2 , piepildīti ar gāzi vai šķidrumu, un tiek savākti ar objektīvu L2 , kuras fokusa plaknē paralēli spraugām veidojas interferences bārkstis. Vielas klātbūtne kivetēs ir saistīta ar to, ka interferences maliņu platums ir mazs, un novērošanai ir nepieciešams liels palielinājums. Kopš spraugas platuma S ir mazs, tad traucējumu shēmas spilgtums ir zems. Palielinājums ir nepieciešams tikai virzienā, kas ir perpendikulārs bārkstīm, tāpēc tiek izmantots cilindrisks okulārs Ak, kuru garā ass ir paralēla svītrām. Vienlaikus ar pētīto traucējumu modeli veidojas otrs traucējumu modelis, kas atrodas zem šūnas. Tas var kalpot kā atsauces skala. Caur stikla plāksni G šī skala ir nobīdīta vertikāli tā, lai tās augšējā mala saskartos ar galvenās svītru sistēmas apakšējo malu. Asā dalījuma līnija starp tām ir plāksnes malas attēls G redzams caur objektīvu L2 . Šādā veidā var noteikt nobīdes aptuveni 1/40 no joslas platuma. Praksē ir ērtāk kompensēt optiskā ceļa starpību, nevis skaitīt bārkstis. Kompensācija tiek panākta šādi: gaisma, kas iziet no šūnām, iziet cauri plānām stikla plāksnēm, no kurām viena (C 1 ) ir nekustīgs, bet otrs (C 2 ) var griezties ap horizontālu asi. Šajā gadījumā ir iespējams vienmērīgi mainīt no spraugas izplūstošā avota optiskā ceļa garumu S2. Kompensators C 2 ir kalibrēts monohromatiskā gaismā, lai noteiktu griešanās leņķi, kas atbilst vienas kārtas nobīdei galvenajā bārkstiņu sistēmā. Apakšējās joslas sistēma kalpo kā nulles indikators. Strādājot ar evakuētajām kivetēm, vispirms tiek panākta aptuvenā nulles joslu izlīdzināšana abos modeļos, pēc tam tās tiek precīzi izlīdzinātas monohromatiskā gaismā, izmantojot kompensatoru. Pēc tam vienu kiveti piepilda ar pētāmo gāzi un nulles kārtas atkal apvieno. Nobīdi nosaka kompensatora griešanās leņķu atšķirība∆m galvenās grīdas sistēmā, izmantojot kompensatora kalibrēšanas tabulu. Gāzes refrakcijas indekss n' atrast pēc formulas, kur l gāzes kivetes garums, λ 0 ir viļņa garums vakuumā. Ir atrasti aptuveni 10-8 .
Daudzstaru interferometri
Vienkāršākais daudzstaru interferometrs ir ieviests, pamatojoties uz pl a smirdīgi Lummer-Gerke, kas ir kvalitatīva caurspīdīga plakne-paralēla plāksne, kuras biezums l un refrakcijas indekss n . Vides refrakcijas indekss ārpus plāksnes n' = 1 (5. attēls). Amplitūdas koe f attiecīgi atstarošanas un pārraides faktori un .
Traucējošie stari pastiprinās viens otru, ja ceļa atšķirība starp tiem ir vienāda ar veselu viļņu garumu skaitu: , kur T = 0, 1, 2, … . Minimālā intensitāte tiks ievērota plkst t \u003d 1/2, 3/2, .... Vislielākā iejaukšanās kārtība, ko var iegūt daudzstaru interferometrā, ( t ~ 20000). Brīvās izkliedes reģionsmazs. Tāpēc daudzstaru interferometrs tiek izmantots tikai, lai pētītu spektra līniju kontūras, kas izolētas ar citu spektrālo ierīci.
Lummer-Gercke plāksne tiek izmantota reti. Izplatītākais veids, kā iegūt vairāku staru traucējumus, ir balstīts uz lietojumuFabri-Perot interferometri.
Fabry-Perot interferometra galvenās daļas ir divas stikla vai kvarca plāksnes P 1 un P 2 ar plakanām virsmām. Gaisa spraugu veidojošās virsmas ir pārklātas ar daļēji caurspīdīgām plēvēm un ir stingri paralēlas viena otrai. Lai novērstu no ārējām virsmām atstarotās gaismas kaitīgo ietekmi, plāksnes ir izgatavotas nedaudz ķīļveida. Fabry-Perot interferometrs veido vienāda slīpuma traucējumu malas koncentrisku gredzenu veidā. Ir diezgan viegli novērot traucējumu modeli no Fabry-Perot interferometra, izmantojot lāzeru kā avotu.
Normālas gaismas izplatīšanās apstākļos uz vienmērīgas caurspīdīgas plāksnes var izmantot daudzceļu traucējumusstarojuma emisija šaurā (10 - 20 nm) spektra apgabalā. Tas ir darbības principstraucējumu filtri(7. attēls).
1. attēls - Miķelsona interferometra diagramma
Apmēram 2
Apmēram 1
M 1
M’ 1
2. attēls - Linnika mikrointerferometra shēma
Apmēram 2
Apmēram 1
M 1
M’ 1
3. attēls - Jamin interferometra diagramma
bet – horizontālā daļa; b - vertikālā daļa
4. attēls - Rayleigh interferometra diagramma
5. attēls - Staru ceļš cauri Lummer-Gercke plāksnei
E00
2
E00
E 00
2 E 00
2 E 00
2 2 E 00 e i
6. attēls - Fabry-Perot interferometra shēma
Dielektriskais starpslānis
Daļēji atstarojošas plēves
Stikls
7. attēls - Fabri-Perot tipa traucējumu filtrs
Kā arī citi darbi, kas varētu jūs interesēt |
|||
| 12971. | UGUNSGRĒKA TRAUKSME | 731,5 KB | |
| UGUNSGRĒKA TRAUKSME. Apsardzes un ugunsdrošības signalizācija. Ugunsgrēka trauksmes detektori. Ugunsgrēka detektoru izvietošana. Uztveršanas ierīces... | |||
| 12972. | IERĪCES ELPA ATJAUNOŠANAI "MINING RESCUE - 8 M" | 146 KB | |
| ELPOŠANAS APARĀTS MINE RESCUE 8 M Sanktpēterburga 2009 ELPOŠANAS IERĪCE MINE RESCUE 8 m Aparāts Mine Rescuer 8m GS8m ir paredzēts mākslīgās elpināšanas veikšanai cietušajam, izmantojot... | |||
| 12973. | SKAŅAS IZTURĒŠANAS LĪDZEKĻU PĒTĪJUMS | 496,5 KB | |
| SKAŅAS IZTURĒŠANAS LĪDZEKĻU PĒTĪJUMS. Darba mērķis ir iepazīties ar trokšņu slāpētāju veidiem, darbības principiem un to efektivitātes novērtēšanas metodēm. Skaņas izolācijas fiziskā būtība. Barjeras skaņas izolācijas spēja | |||
| 12974. | IZOLĒTI ATJAUNOŠI ELPOŠANAS LĪDZEKĻI KĀ TEHNISKĀ APRĪKOJUMA Elements | 1,06 MB | |
| IZOLĒJOŠI REĢENERATĪVIE ELPĀCIJAS KĀ HRSG TEHNISKĀ APRĪKOJUMA ELEMENTS SATURS: HRHS tehniskais aprīkojums. Izolējoši atjaunojošie respiratori. p12 respirators: ierīce un darbības princips ... | |||
| 12975. | Noteikumi pirmās (pirmsmedicīniskās) palīdzības sniegšanai nelaimes gadījumu un slimību gadījumos. | 1,13 MB | |
| Noteikumi pirmās palīdzības sniegšanai negadījumu un slimību gadījumos. Satura rādītājs Satura rādītājs 1. Pirmās palīdzības organizēšana traumu un slimību gadījumos 2. Pirmā palīdzība elpošanas un sirdsdarbības apstāšanās gadījumā 3. Brūces un asiņošana | |||
| 12976. | RŪPNIECISKIE PUTEKĻI UN PUTEKĻU SŪTĒJS | 180,5 KB | |
| RŪPNIECISKIE PUTEKĻI UN PUTEKĻU SŪTĒJS Rūpniecisko putekļu raksturojums Rūpnieciskie putekļi ir visizplatītākais kaitīgais faktors darba vidē. Daudzi tehnoloģiskie procesi un operācijas transporta nozarē... | |||
| 12977. | RŪPNIECISKĀ ELPOŠANAS AIZSARDZĪBA | 380,5 KB | |
| RŪPNIECISKĀ ELPOŠANAS AIZSARDZĪBA IEVADS Mūsu valstī profilaktisko pasākumu sistēmā, kuru mērķis ir nodrošināt drošus darba apstākļus un samazināt arodsaindēšanos un slimības metalurģijas ķīmiskajā rūpniecībā ... | |||
| 12978. | Matemātiskā analīze. Pārbaudiet pirms eksāmena | 4,31 MB | |
| Matemātiskā analīze Skaitliskā secība un її robeža. Norādīts. Funkcijas fn secība tiek piešķirta N naturālu skaitļu kopai. Norādīts. Secība tiek saukta par obmezhenoyu yakshcho іt tādi skaitļi tі M scho visiem n vicon | |||
| 12979. | Matemātiskā modelēšana un diferenciālā izlīdzināšana | 300,5 KB | |
| 1. lekcija Matemātiskā modelēšana un diferenciāllīdzināšana. 1.1. Izpratne par matemātisko modelēšanu. Matemātiskās modelēšanas jēdzienu dažādi autori interpretē savā veidā. Mēs to saistīsim ar mūsu specializāciju lietišķajā matemātikā. piektdien ma | |||
Izmantojot difrakcijas teorijas secinājumus, var apgalvot, ka Janga eksperimentā gaismai no sekundārajiem avotiem ir vislielākā intensitāte ģeometrisko staru virzienā no primārā avota. Janga eksperimentā šie stari novirzās aiz ekrāna, bet ar lēcas palīdzību, kas novietota caurumu priekšā (7.12. att.), tos var samazināt līdz punktam O, konjugējot attiecībā pret objektīvu ar Tad intensitāti traucējumu modelis netālu no O palielinās, un traucējumu bārkstis var novērot caurumos, kas atrodas daudz tālāk viens no otra. Attālums starp blakus esošajām gaismas svītrām joprojām ir vienāds, un, ja objektīvs rada stigmatisku punkta attēlu, tad saskaņā ar optiskās vienādības principu
Nulles kārtas josla atradīsies O. Ja objektīvs nedod stigmatisku attēlu, nulles kārtas josla nobīdīsies uz O par summu, kas ir atkarīga no optiskā ceļa atšķirības no 5 līdz O caur abiem caurumiem. Ar optiskā ceļa starpību nobīde būs vairākas reizes lielāka nekā attālums starp blakus esošajām spilgtām bārkstīm, kur
Acīmredzot ar šādu ierīci var kvantitatīvi pārbaudīt lēcu kvalitāti, kā to izdarīja Miķelsons. Ja viens no caurumiem ir fiksēts attiecībā pret objektīva centru, tad, veicot mērījumus dažādās otras atveres pozīcijās, ir iespējams noteikt viļņu frontes novirzi no sfēriskuma pēc iziešanas cauri objektīvam (viļņu aberācija) . Līdzīgi, ja gaismas starā, kas nāk no gaismas, ievieto caurspīdīgu plāksni ar I biezumu ar refrakcijas koeficientu, optiskā ceļa garums palielinās par un traucējumu secība punktā O mainās par
Mērot ir iespējams noteikt atšķirību starp plāksnes un vides laušanas koeficientiem. Tas ir Rayleigh interferometra ierīces pamatā, ko izmanto gāzu refrakcijas indeksu precīziem mērījumiem. Šīs ierīces modernā modeļa diagramma ir parādīta attēlā. 7.13. Gaisma no spraugas tiek kolimēta ar lēcu un pēc tam krīt uz diviem citiem paralēliem spraugām.
Rīsi. 7.13. Rayleigh interferometra shēma, a - horizontālā sekcija, - vertikālā sekcija.
Paralēli gaismas stari no dažādām gāzes šūnām un iet caur tām, un tos savāc lēca, kuras fokusa plaknē paralēli spraugām veidojas interferences bārkstis. Gāzes elementu izvietojums gaismas staros rada nepieciešamību ievērojami palielināt attālumu starp spraugām, un rezultātā interferences bārkstis ir cieši izvietotas, un to novērošanai ir nepieciešams liels palielinājums. Arī spraugas platums nevar būt liels, un līdz ar to attēla spilgtums ir zems. Tā kā palielinājums ir nepieciešams tikai virzienā, kas ir perpendikulārs svītrām, šim nolūkam ir labi piemērots cilindrisks okulārs plāna stikla stieņa formā ar garu asi, kas ir paralēla svītrām. Šādā veidā skatītais attēls ir daudz spilgtāks nekā tad, ja tiek izmantots sfērisks okulārs. Cilindriskā okulāra izmantošanai ir vēl viena svarīga priekšrocība, kas ļauj iegūt otru fiksētu bārkstiņu sistēmu ar tādu pašu attālumu starp bārkstīm kā galvenajā, bet ko veido gaisma no avotiem, kas iet zem gāzes šūnām. Otrā joslu sistēma var kalpot kā atskaites skala. Ar stikla plāksnes palīdzību šī skala tiek nobīdīta vertikāli tā, lai tās augšējā mala saskartos ar galvenās sistēmas apakšējo malu. Asā dalījuma līnija starp pimi ir plāksnes mala, kas novērota caur objektīvu
Līdz ar to galvenās joslu sistēmas nobīdes noteikšana optisko ceļu izmaiņu dēļ kivetēs ir pilnībā atkarīga no acs redzes asuma, kas, vispārīgi runājot, ir liels, un tādā veidā ir iespējams noteikt. pārvietojumi ir aptuveni vienādi ar 1/40 pasūtījuma. Arī nejaušās nobīdes optiskajā sistēmā kļūst mazāk nozīmīgas, jo tās vienlaikus ietekmē abas joslu sistēmas.
Praksē ir ērtāk kompensēt optiskā ceļa starpību, nevis skaitīt bārkstis. Tas tiek darīts šādi: gaisma, kas iziet no gāzes šūnām, iziet cauri plānām stikla plāksnēm, no kurām viena ir nekustīga, bet otra var griezties ap horizontālu asi, kas ļauj vienmērīgi mainīt ienākošās gaismas optiskā ceļa garumu. beidzās
Šāds kompensators tiek kalibrēts monohromatiskā gaismā, lai noteiktu plāksnes rotācijas apjomu, kas atbilst vienas kārtas nobīdei galvenajā bārkstiņu sistēmā. Šajā gadījumā joslu sistēma kalpo kā optisko ceļu vienādības nulles indikators, parasti ierīce tiek darbināta šādi: tiek izsūknētas gāzes šūnas, bet baltā gaismā, izmantojot kompensatoru, tiek izsūknētas optisko ceļu joslas. galvenā sistēma un skala ir aptuveni saskaņoti; tad tiek panākta precīza ložu secību sakritība monohromatiskā gaismā, pēc kuras viena no kivetēm tiek piepildīta ar pētāmo gāzi un atkal vispirms baltā gaismā, bet pēc tam monohromatiskajā gaismā nulles kārtas tiek apvienotas, izmantojot kompensatoru. Atšķirība starp diviem kompensatora iestatījumiem ļauj no tā kalibrēšanas noteikt secības nobīdi galvenās joslas sistēmā, ko izraisa gāzes klātbūtne kivetē. Šīs gāzes refrakcijas indekss ir atrodams no (28), proti:
kur ir gāzes kameras garums. Ar normālām vērtībām un iestatījuma precizitāti 1/40 no pasūtījuma, izmaiņas aptuveni
Optiskie ceļi no un uz traucējumu modeļa novērošanas vietu iet caur dažādu izkliedi; tāpēc, atšķirībā no vienkārša gadījuma, kas aplūkots nulles kārtās dažādu viļņu garumu gaismā, vispārīgi runājot, tie nesakrīt, un baltā gaismā nav pilnīgi baltas joslas. Vismaz krāsaina josla kādam vidējam viļņa garumam (spektra redzamajā reģionā), kas ir atkarīgs no acs krāsu jutības. Pēc analoģijas ar terminoloģiju, kas pieņemta, aprakstot lēcas, šo joslu sauc par ahromatisku. Ja kompensators ievieš optiskā ceļa starpību L, tad traucējumu secība punktā O ir vienāda ar
Tāpēc punktā O ahromatiskā josla būs kad
Ar šādu kompensatora iestatījumu attēla nulles secība monohromatiskā gaismā var neiekrist punktā O, jo to sakritībai ir nepieciešams, lai
Šī neatbilstība var būt pietiekami liela, lai apgrūtinātu nulles kārtas joslas noteikšanu monohromatiskā gaismā, un tāpēc ir jāizmanto iepriekšējie mērījumi zemā spiedienā vai ar īsu kiveti.
Mēs arī atzīmējam, ka ahromatiskā josla ir labi atpazīstama tikai tad, ja tajos modeļa punktos, kur redzamā spektra viļņu garumu vērtību diapazons ir pietiekami mazs. Novērojot baltā gaismā, traucējošo viļņu ceļiem vidē ar tādu pašu izkliedi jābūt pēc iespējas vienādiem.
Lielāku jutību principā var iegūt, palielinot I, bet to kavē temperatūras kontroles grūtības. Tā paša iemesla dēļ instrumenta modelī tiek izmantotas tikai īsas kivetes, kas paredzētas šķidrumu refrakcijas koeficientu atšķirības mērīšanai. Turklāt ceļa starpība, ko var kompensēt, ir ierobežota, un tāpēc ar lielu refrakcijas indeksu starpību kivetēs to garums ir proporcionāli jāsamazina.
Notiek ielāde...