Интерференционные методы измерения параметров состояния морской воды

Определение показателя преломления по измерению разности хода в исследуемой среде является задачей интерференционных методов. Они в настоящее время разработаны достаточно полно. С явлением деформации световой волны связано изменение направления движения световых лучей в исследуемой среде.

Пусть имеются два источника монохроматического излучения, испускающие световые волны Е_г =a₁sin (co_{11+ ф2) и Е2 = a2sin (co21 + ср2), где а — амплитуда; со — частота и ср — фаза колебаний (индекс обозначает номер источника).}

Если оба источника освещают одну и ту же площадку, то в точке, расположенной в пределах этой площадки, при условии одинаковой поляризации колебаний происходит сложение волн:

где 1_г и 1₂ — расстояния от этой точки до первого и второго источников соответственно; с — скорость света в воздухе.

Для измерения показателя преломления образца исследуемой среды его помещают на пути одного из пучков, например первого. При прохождении этим пучком части пути протяженностью L через среду с показателем преломления п (относительно воздуха) время распространения от источника до данной точки возрастает до.

Если световые пучки когерентны, то есть характеризуются постоянством разности фаз колебаний в течение времени наблюдения, то из (10.2) и (10.3) следует, что.

т. е. сумма двух волн представляется двумя ортогональными гармоническими составляющими (синусной и косинусной), амплитуды которых описываются выражениями, заключенными в фигурных скобках (они обозначены KaxAj и Л₂). Результирующее колебание также изменяется по времени по синусоидальному закону с амплитудой.

При легко выполняемых условиях li=l₂, Ф1 = Ф2 выражение (11.2.5) принимает более простой вид.

Обычно стремятся обеспечить равенство амплитуд а_г и а₂ с тем, чтобы минимальное значение амплитуды результирующего колебания было равно нулю, так как при этом интерференционная картина наблюдается с наибольшим контрастом. Однако различие амплитуд а_г и а₂ приводит к относительно небольшому снижению контраста интенсивности колебаний:

Из соотношения (11.2.6) видно, что амплитуда результирующего колебания изменяется от минимального до максимального значения при изменении показателя преломления.

где А,=2лс/со — длина световой волны.

Зависимость освещенности световой картины в данной точке от показателя преломления имеет вид.

где E_vm — освещенность наиболее светлого участка интерференционной полосы, ф₀ — начальная фаза колебаний. Пользуясь этим соотношением можно по измеренной освещенности интерференционной картины в данной точке вычислить значение показателя преломления.

В качестве источников используются либо лазеры, либо вторичные источники, образуемые путем разделения светового потока, излучаемого каким-либо одним источником, таким образом, что обе части светового потока испускаются одним и тем же участком тела свечения. В плоскости наблюдения интерференционной картины образуется система полос, имеющая периодическую структуру с синусоидальным распределением освещенности:

где b — расстояние между источниками; I — расстояние от источников до экрана (b-b); х — расстояние от данной точки до нормали к экрану, проходящей на одинаковом расстоянии от обоих источников. Ширина полосы равна Н = Xl/b.

При размещении на пути одного из интерферирующих пучков образца исследуемой среды, показатель преломления которой отличается от показателя преломления воздуха, изменяется освещенность в каждой фиксированной точке экрана, но общий характер интерференционной картины сохраняется (изменяется лишь положение максимумов и минимумов освещенности). Таким образом, происходит сдвиг полос, который связан с показателем преломления п соотношением.

что составляет в долях ширины полосы.

Повышение точности отсчета разности фаз интерферирующих волн можно осуществить методами поляризационной и многолучевой интерферометрии. Первый метод основан на использовании поляризованного излучения. Линейно поляризованный свет характеризуется тем, что электрический вектор напряженности электромагнитного поля колеблется в одной плоскости. Этот вектор может быть разложен в плоскости, перпендикулярной направлению распространения световой волны, на две взаимно перпендикулярные составляющие. Если каждую составляющую направить по индивидуальному пути через области среды с неодинаковыми показателями преломления, то при выходе из этих областей составляющие будут отличаться по фазе. После сведения этих двух пучков излучение становится в общем случае эллиптически поляризованным.

Если установить на пути распространения волны оптический элемент (компенсатор), через который взаимно перпендикулярные несинфазные составляющие электрического вектора проходят с разной скоростью, а толщину элемента подобрать так, чтобы при выходе из него разность фаз составляющих была равной нулю, то по угловому положению плоскости поляризации можно вычислить показатель преломления. Угол поворота плоскости поляризации определяется соотношением.

Многолучевая интерферометрия основана на интерференции большого количества когерентных световых пучков. Для ее реализации достаточно заключить объем исследуемой среды между двумя плоскопараллельными пластинами, на поверхности которых нанесено полупрозрачное покрытие с коэффициентом отражения порядка 0,8—0,9. Если направить на такую систему параллельный световой пучок под небольшим углом к нормали, то будет иметь место интерференция пучков, отраженных от полупрозрачных покрытий плоскопараллельных пластин. Для излучения, проходящего через систему, зависимость освещенности фиксированного участка интерференционной картины от показателя преломления описывается соотношением.

где ?, — угол отражения светового пучка при его распространении между пластинами; L — расстояние между пластинами; к =;

(1 -Rtf

R — коэффициент отражения полупрозрачного покрытия; t — коэффициент пропускания слоя исследуемой среды толщиной L/cosC,.

В классической интерферометрии известна пороговая чувствительность измерений, определяемая минимально измеримой разностью фаз (Acpmin) между волной, прошедшей изучаемый объект (объектная волна), и волной сравнения (эталонная волна), проходящей вне зоны объекта. При получении интерферограмм в полосах конечной ширины пороговая чувствительность будет определяться минимально измеримым смещением интерференционной полосы. При визуальном определении положения интерференционной полосы Acp_min принимается равным 0,27т^[1].

• [1] Вест Ч. Голографическая интерферометрия.