Определение показателя преломления воздуха с помощью интерферометра Релея

Принцип действия интерферометра Релея

Предварительно следует ознакомиться с пп. 1.3, 1.8, 5,1 -5.3.

Метод измерения показателя преломления с помощью интерферометра Рэлея является развитием классического опыта по интерференции двух когерентных световых пучков, прошедших через две параллельные щели. Параллельный пучок лучей проходит через диафрагму с двумя прямоугольными отверстиями и собирается в фокальной плоскости линзы. Вследствие дифракции света на отверстиях диафрагмы в фокальной плоскости создаётся система интерференционных полос, которая наблюдается с помощью сильного окуляра.

Как было показано ранее (п. 5.3), в случае дифракции от двух щелей, зависимость интенсивности света / от угла дифракции ф распадается на произведение двух сомножителей. Первый из них описывает распределение интенсивности в дифракционной картине Фраунгофера от одной щели. Второй сомножитель обусловлен интерференцией световых колебаний, приходящих в точку наблюдения от разных щелей (рис. 5.4). Практический интерес представляют яркие интерференционные полосы, расположенные в пределах первого дифракционного максимума, т. е. в пределах центрального.

2к максимума, угловая ширина которого (отэшф до +$ 1Пф) равна — .

а

В пределах первого дифракционного максимума располагается N интерференционных полос:

где а — ширина щели.

Интерференционные максимумы отстоят друг от друга на равные угловые расстояния Аф.

где d — расстояние между щелями.

При использовании источника сплошного спектра (лампы накаливания) из-за наложения интерференционных полос с разными длинами волн в поле зрения будет наблюдаться группа цветных полос со светлой неокрашенной полосой посередине. Центральная, так называемая нулевая, светлая полоса соответствует разности хода колебаний, приходящих от обеих щелей, равной нулю. Так как для этой полосы условие максимума нс зависит от длины волны, то именно по сс смещению можно вычислить разность хода.

Принципиальная оптическая схема интерферометра ИТР-1 приведена на рис. 6.14 (вид сверху). Пучок лучей, идущих от источника света 1, освещает узкую вертикальную щель 2, расположенную в фокальной плоскости объектива.

3. По выходу из объектива свет идет параллельным пучком и падает на плоский непрозрачный экран, имеющий две узкие вертикальные параллельные щели 4, которые можно рассматривать как два когерентных источника.

Рис. 6.14.

На довольно значительном удалении от щелей находится второй объектив 5, в фокальной плоскости 6 которого собираются когерентные лучи и, следовательно, образуются интерференционные полосы. Расстояние между этими полосами очень мало («10~^ясм) и наблюдение за ними поэтому проводится с помощью окуляра с большим увеличением. Интерференционная картина, наблюдаемая с помощью окуляра, представляет собой две системы полос, разграниченных с помощью тонкой пластины линией раздела (6.7). Нижняя система полос образуется при наложении пучков света, проходящих от двух щелей 4 до объектива 5 в воздухе, и всегда неподвижна.

Рис. 6.15.

Верхняя система полос образуется при прохождении света от двух щелей 4 через две кюветы 7 и 8 одинаковой длины L. Эти кюветы располагаются в верхней части пучков света, идущих от щелей 4. Если кюветы заполнить одинаковыми веществами (газами или жидкостями), то верхняя система интерференционных полос (при прочих равных условиях) будет совпадать с нижней (рис. 6.15, а).

Несовпадение полос может наблюдаться вследствие некоторого различия в оптической разности хода верхних и нижних лучей. Для устранения этого различия на пути интерферирующих лучей помещают одинаковые плоскопараллельные стеклянные пластинки 9. Одна из этих пластинок, расположенных в верхней части световых пучков, может поворачиваться вокруг горизонтальной оси, изменяя при этом оптическую разность хода верхних лучей. Эта пластинка называется компенсационной.

Вращением компенсационной пластинки можно добиться полного совпадения нижней и верхней систем полос (рис. 6.15, а). Интерференционная картина, показанная на рис. 6.15, а, является начальной, соответствующей одинаковой разности хода верхних и нижних лучей.

Если кюветы заполнить веществами с различными показателями преломления п и П-2, то для верхней части двух пучков света изменится оптическая разность хода и произойдет смещение верхней системы полос (рис. 6.15, б — небольшое различие в показателях преломления, рис. 6.15, в — значительное различис). При помощи микрометрического винта, поворачивающего компенсационную пластинку, можно вернуть верхние полосы в начальное положение.