Основные схемы интерферометров

Следует отметить, что излучение двух различных источников оптического диапазона в общем случае некогерентно и поэтому при их сложении интерференционная картина, как правило, не наблюдается. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных лучей, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. Наиболее часто применяются интерферометры Ньютона, Физо и Тваймана — Грина. Оптические схемы этих интерферометров используются также в современных голографических и спекл-интерференционных системах. Наиболее подробно схемы интерферометров для оптического контроля описаны в [2].

Интерферометр Ньютона. Интерферометр Ньютона содержит две оптические полированные поверхности, находящиеся в контакте и освещенные монохроматическим светом. Одна из поверхностей эталонная, другая должна соответствовать сфере противоположного знака. В этих условиях воздушный зазор обычно равен нескольким длинам световой волны. Контроль оптических элементов в различных схемах интерферометра Ньютона заключается в определении величины зазора путем подсчета и интерпретации интерференционных колец. Наиболее часто интерферометр Ньютона применяется для контроля плоских поверхностей и поверхностей небольших линз во время их полирования. Эталонные поверхности пробного стекла могут быть и асферическими. Их используют, как правило, при изготовлении выпуклых асферик, так как вогнутую поверхность изготовить и проконтролировать легче.

Наиболее простая схема установки для наблюдения колец Ньютона в производственных условиях показана на рис. 6.3. С ее помощью можно контролировать плоские и сферические поверхности с большими радиусами кривизны. Тяжелые объекты деформируют поверхность пробного стекла, при этом точность измерений снижается, поэтому их контролируют, помещая эталон сверху. Рассмотрим, что происходит, когда две идеальные оптические плоскости контактируют друг с другом так, что между ними образуется небольшой воздушный клин. Обычно толщина воздушного зазора даже при нажатии на край детали не равна нулю. Поэтому две плоскости можно представить как сходящиеся линии пересечения (рис. 6.3).

Пусть монохроматический свет с длиной волны А, падает на оптические плоскости под прямым углом. Если, а — угол клина между плоскостями, то воздушный зазор на расстоянии д: от линии их пересечения равен адг, а разность оптического хода 2шг. При этом разность оптического хода увеличивается на 7J2 из-за дополнительного набега фазы на п при отражении света от нижней плоскости. Таким образом, разность оптического хода на расстоянии х от.

Рис. 6.3. Простое устройство для получения полос Ньютона:

I — контролируемая поверхность; 2 — пробная поверхность; 3 — линия контакта поверхностей; 4 — светоделитель, 5 — монохроматический источник света; 6 — глаз наблюдателя точки пересечения равна 2осс+Х/2, и темные интерференционные полосы формируются при условии 2ах = пХ, а светлые — когда.

где п — целочисленный множитель. Каждое уравнение описывает систему равноудаленных друг от друга прямых полос. Расстояние между яркими или темными полосами d определяется как.

Рассмотрим вид полос, когда эталонная поверхность плоская, а контролируемая — нет. Такая ситуация встречается при полировании плоскости, представляющей на первых этапах обработки сферическую поверхность с большим радиусом кривизны. В процессе обработки ее периодически контролируют плоским эталонным стеклом. Рассмотрим сферическую поверхность большого радиуса кривизны R, находящуюся в контакте с оптической плоскостью. Пусть х — расстояние от центра симметрии. Разность оптического хода выражается как x²/R + XJ2, а положение темных полос определяется формулой

Следовательно, расстояние и-й темной полосы от центра расстояние между (и + I) и и-й полосами и соответственно между (и + 2) и и-й полосами.

Отношения расстояний между соседними полосами.

Таким образом, когда мы смотрим на полосы с большим порядковым номером, кажется, что они расположены на почти одинаковом расстоянии друг от друга. Поэтому при контроле формы поверхности необходимо передвигать пластины так, чтобы видеть полосы с небольшими значениями и. Необходимо также знать, контролируемая поверхность выпуклая или вогнутая. Это можно установить нажатием на край верхней плоскости. Если поверхность выпуклая, центр системы полос передвигается к точке нажатия, и наоборот. При втором способе нажимают на верхнюю поверхность в центре системы полос. Если поверхность выпуклая, диаметр колец увеличивается, и наоборот. Обычно оптические поверхности изготавливают с точностью 2Я____Х/100. Визуальным наблюдением на интерферометре Ньютона можно определить максимальное отклонение от плоскостности с погрешностью порядка АЛО.

Интерферометр Физо. В 1851 году Физо поставил интерференционный измерительный эксперимент, который Майкельсон назвал одним из самых остроумных опытов, когда-либо произведенных в физике. Решалась задача о влиянии движения среды на скорость распространения света. В интерферометре Физо (рис. 6.4) свет от источника S проходил через две полутораметровые трубки Г, по которым со скоростью несколько метров в секунду пропускалась вода. Зеркало М отражало лучи так, чтобы они менялись местами, через те же трубки возвращались назад и интерферировали в области О. Так как оба луча проходили один и тот же путь, нестабильность его оптических характеристик не влияла на смещение интерференционных полос. Это смещение определяется только скоростью воды, поскольку один луч двигается по течению, а другой — против течения. Опыт показал, что свет частично увлекается движущейся средой. Коэффициент увлечения света движущейся средой, предложенный Физо, получается из релятивистской формулы сложения скоростей.

Интерферометр Физо позволяет получить интерференционную картину при значительно большем воздушном зазоре, чем интерферометр Ньютона. Так как повышаются требования к системе освещения, в интерферометре Физо необходима коллимирующая система. Этот тип интерферометров наиболее часто встречается в измерительных системах для контроля оптических поверхностей. Рассмотрим интерферометр Физо, в котором в качестве источника света используют лазер (рис. 6.5).

Рис. 6 4 Интерферометр Физо.

Рис. 6.5. Лазерный интерферометр Физо для контроля плоских поверхностей:

/ - устройство регистрации; 2 — фотообъектив; 3 — микрообъектив; 4 — пространственный фильтр (точечная диафрагма); 5,6- светоделители; 7 — отрицательная линза; 8 — эталонная плоскость; 9 — контролируемая плоскость; 10 — объектив коллиматора; 11 — матовый экран для наблюдения полос.

Рис. 6.6. Оптическая схема интерферометра ИТ-200:

/ - монохроматический источник света; 2 — конденсор; 3 — интерференционный светофильтр; 4 — диафрагма. 5 — объектив; 6 - призма, 7 — сферическое зеркало, 8 — образцовая пластина; 9 — контролируемая деталь; 10−13 — зрительные трубы; 14 — зеркало; 15 — объектив; 16 — фотокамера; 17 - плоскопараллельная пластина На рис. 6.6 показана схема отечественного промышленного интерферометра ИТ-200, который предназначен для оценки качества плоских поверхностей оптических деталей и узлов с диаметром до 200 мм.

Входной зрачок зрительной трубы находится на грани призмы 6. При включенном зеркале 14 интерференционная картина, локализованная на эталонной поверхности образцовой пластины, может быть сфотографирована с помощью объектива 15 фотокамерой 16. При включенной плоскопараллельной пластине 17 в окуляр рассматриваются изображения входной диафрагмы интерферометра.

Интерферометры Майкельсона и Тваймана — Грина. В конце XIX — начале XX века Альберт Майкельсон в поисках «эфирного ветра» изобрел интерферометр, показанный на рис. 6.7. В физике конца XIX века предполагалось, что свет распространяется в некоторой универсальной среде — эфире. При этом ряд явлений, например опыт Физо, приводил к заключению, что эфир неподвижен или частично увлекается телами при их движении. Согласно гипотезе неподвижного эфира можно наблюдать «эфирный ветер» при движении Земли сквозь эфир и скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления ее движения в эфире. Луч от источника S светоделительной пластинкой А делится пополам в двух взаимноперпендикулярных направлениях. Отразившись от зеркал М и Л/₂, оба луча интерферируют в направлении О. Пластинка В вводится для того, чтобы пути обоих лучей были одинаковыми.

Если расположить интерферометр так, чтобы направление одного луча совпадало с вектором скорости вращения Земли вокруг.

Рис. 6.7. Интерферометр Майкельсона:

S- источник; Л/| и Л/₂ — зеркала; Aw В- светоделитсльные пластинки Солнца (30 км/с), другое — было перпендикулярно к нему, то различное время прохождения лучей должно привести к разности их хода и смещению интерференционных полос. [Если эфир неподвижен, то при повороте прибора на 90° разность хода лучей должна менять знак. Результаты были отрицательными, и Майкельсон вынужден был сделать вывод, что гипотеза покоящегося эфира ошибочна.

Рис. 6.8. Интерферометр Тваймана-Грина:

S — источник света; А — делитель светового пучка; В — компенсатор; О — глаз наблюдателя, А/| и М₂ — зеркала; L и Ц — объективы Предложенный и запатентованный Твайманом и Грином в 1919 году интерферометр для контроля призм и микрообъективов является модификацией интерферометра Майкельсона. На рис. 6.8 представлена одна из его типовых схем.

Пучок света от монохроматического точечного источника света коллимируется объективом L для создания плоского волнового фронта, который затем разделяется светоделителем на две части. Отразившись от зеркал и М₂, лучи сходятся на полупрозрачной поверхности 1 и образуют две интерференционные картины. Одна картина направляется к объективу Z,₂, другая возвращается к источнику.

Рис. 6.9. Неравноплечий интерферометр Хьюстона:

/ - расширитель лазерного пучка; 2 — светоделитель, расположенный под углом Брюстера; 3 — регулируемое зеркало; 4 — расширитель пучка; 5 — контролируемое зеркало, 6 — экран света. Апертура объектива L₂ такова, что интерференционная картина заполняет все поле зрения. Компенсатор В необходим для обеспечения одинаковых условий прохождения оптического хода обоими пучками. С появлением лазера в оптических цехах вошло в практику использование интерферометров Тваймана — Грина с большой разностью оптического хода. На рис. 6.9 показан неравноплечий интерферометр Хьюстона для производственного контроля оптических деталей.

Светоделитель с углом клина 2…3' установлен под углом Брюстера. Отражающая поверхность светоделителя расположена так, чтобы воспринимать возвращающиеся лучи и устранять астигматизм и другие нежелательные эффекты. В рабочую ветвь устанавливается двухлинзовый расширитель пучка света, изготовленный из стекла с высоким коэффициентом преломления. Для контроля асферических поверхностей в схему добавляют коррекционную линзу.

Интерферометры Маха — Цендсра. Схема интерферометра с двумя светоделителями и плоскими зеркалами показана на рис. 6.10. Луч света разделяется пластиной Р на два луча, которые после отражения от зеркал М и М₂ и прохождения Р₂ выходят из интерферометра.

Рис. 6.10. Интерферометр Маха — Цендера:

Схема, в которой зеркала М и М₂ и светоделители Р и Р₂ плоскопараллельные, называется интерферометром Маха — Цендера.

Введение

в одно из плеч интерферометра прозрачного объекта изменяет форму интерференционных полос, наглядно иллюстрируя распределение показателя преломления в исследуемой среде. Интерферометр применяется при изучении воздушных потоков, ударных волн при взрывах и т. п.