Интерферометр Майкельсона является оптическим прибором, используемым для измерения малых смещений, определения длины волны света и других физических величин с высокой точностью. Данный прибор был изобретен в конце 19 века Альбертом Майкельсоном и используется по сей день в научных исследованиях и промышленных измерениях.
Устройство интерферометра Майкельсона
Интерферометр Майкельсона состоит из нескольких основных компонентов:
- Источник когерентного света (лазер);
- Делитель луча (полупрозрачное зеркало);
- Два зеркала - подвижное и неподвижное;
- Детектор (фотоприемник, ПЗС-матрица).
Луч света от лазера попадает на делитель луча, который разделяет его на два луча - испытательный и референтный (опорный). Затем эти лучи отражаются от зеркал и вновь сходятся в делителе луча, где происходит интерференция волн.
При этом один луч проходит фиксированное расстояние (отражается от неподвижного зеркала), а другой луч проходит изменяющееся расстояние (отражается от подвижного зеркала). Эта разница хода лучей и приводит к интерференционной картине на детекторе, регистрируя которую можно судить об изменениях оптического пути испытательного луча.
Принцип действия интерферометра Майкельсона
Принцип действия интерферометра Майкельсона основан на явлении интерференции света. Когда два когерентных световых луча накладываются друг на друга, между ними возникает интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.
В случае интерферометра Майкельсона один луч является опорным (проходит фиксированное расстояние), а другой - испытательным (его оптический путь изменяется). Это приводит к изменению разности фаз между лучами и смещению интерференционных полос.
Регистрируя эту картину можно судить о величине изменения оптического пути испытательного луча и таким образом измерять малые перемещения и деформации с точностью до долей микрона.
Применение интерферометра Майкельсона
Интерферометр Майкельсона находит применение во многих областях науки и техники для измерения малых смещений, контроля точности оптических деталей и диагностики различных явлений с высокой разрешающей способностью:
- Голографическая и спекл-интерферометрия;
- Неразрушающий контроль материалов и изделий;
- Навигация и геодезия;
- Гравитационно-волновая астрономия (интерферометр ЛИГО);
- Калибровка длины волны лазеров высокой точности.
Также интерферометр Майкельсона выступил в качестве одного из ключевых инструментов при историческом эксперименте Майкельсона-Морли, который в 1887 году показал отсутствие эфира как предполагаемой среды для распространения света.
Таким образом, данный прибор явился важной вехой в развитии физической науки и до сих пор остается незаменимым инструментом точных оптических измерений во многих областях.
Особенности конструкции
Существует несколько разновидностей интерферометра Майкельсона, отличающихся конструктивным исполнением. Наиболее распространены классические схемы с плоскими зеркалами, уголковые интерферометры и интерферометры с кольцевыми зеркалами.
В классическом интерферометре используются плоские зеркала, расположенные под углом 90 градусов друг к другу. Это позволяет регистрировать интерференцию лучей в отраженном свете.
Модификации интерферометра Майкельсона
Существуют различные модификации классической схемы интерферометра Майкельсона, позволяющие расширить функциональность прибора, повысить точность измерений или расширить области применения.
К таким модификациям, в частности, относятся:
- Интерферометр со сдвигом частоты (для устранения систематических ошибок);
- Многоволновой интерферометр (для расширения диапазона измерений);
- Дифференциальный интерферометр (повышенная чувствительность).
Интерферометр Майкельсона кратко
Кратко интерферометр Майкельсона можно охарактеризовать как оптический прибор, использующий явление интерференции света от двух когерентных источников (опорного и испытательного лучей) для измерения малых перемещений и деформаций с точностью до долей микрона.
Эксперимент Майкельсона-Морли
Интерферометр Майкельсона стал ключевым элементом в знаменитом эксперименте Майкельсона-Морли, проведенном в 1887 году. Целью эксперимента была попытка обнаружить движение Земли относительно предполагаемого в те времена эфира - среды для распространения света.
Суть эксперимента заключалась в следующем: луч света от источника делился на два взаимно перпендикулярных луча, которые проходили одинаковые оптические пути и затем рекомбинировались. Ожидалось, что из-за движения Земли оптический путь одного из лучей должен был изменяться, что привело бы к сдвигу интерференционной картины.
Однако в ходе тщательных измерений не было зафиксировано никакого смещения полос интерференции, что означало отсутствие движения Земли относительно эфира. Этот результат имел очень важное значение для развития физики, поскольку опроверг концепцию светоносного эфира и таким образом подготовил почву для создания теории относительности.
Сравнение интерферометров Майкельсона и Жамена
Интерферометр Жамена является разновидностью интерферометра Майкельсона. Отличие заключается в том, что в интерферометре Жамена используется не делитель луча, а двухлучепреломляющая призма, которая разделяет луч на два взаимно ортогонально поляризованных луча.
К достоинствам такой конструкции относится:
- Более компактные размеры;
- Устранение потерь из-за отражения от делителя луча;
Однако классический интерферометр Майкельсона обладает большей гибкостью и универсальностью применения. Также он проще в юстировке и настройке.
Референтный канал интерферометра Майкельсона
В интерферометре Майкельсона один из лучей является референтным (опорным). Этот луч проходит фиксированный оптический путь, отражаясь от неподвижного зеркала. Он нужен для сравнения с испытательным лучом, который отражается от подвижного зеркала.
Референтный канал выступает в качестве эталона длины пути. Изменение оптического пути испытательного луча приводит к сдвигу интерференционной картины относительно референтного луча. Это позволяет регистрировать малейшие изменения хода луча с высокой точностью.
Постановка эксперимента Майкельсона-Морли
Эксперимент Майкельсона-Морли был выполнен в 1887 году и заключался в следующем: интерферометр Майкельсона был размещен на вращающейся платформе, с тем чтобы проверить, будут ли наблюдаться колебания интерференционной картины при вращении прибора относительно предполагаемого светоносного эфира.
Для этого луч от источника света разделялся на два взаимно перпендикулярных луча, которые проходили одинаковый оптический путь вдоль базы интерферометра и затем рекомбинировались. Ожидалось обнаружить смещение интерференционных полос при повороте всей этой системы относительно эфира.
27 интерферометр Майкельсона
Под названием "27 интерферометр Майкельсона" может подразумеваться одна из модификаций классической схемы:
- Интерферометр с углом поворота плеч в 27 градусов друг относительно друга (вместо 90 градусов).
- Интерферометр с оптической разностью хода между плечами, кратной 27 длинам волн.
Такая конструкция может применяться для специальных целей, например повышения чувствительности к определенным типам деформаций.
Проявление волновых свойств света
Эксперимент Майкельсона-Морли 1887 года продемонстрировал волновую природу света, подтвердив отсутствие эфира как среды для распространения света. Это стало возможным благодаря применению интерферометра Майкельсона, использующего явление интерференции, характерное именно для волн.
Тот факт, что поворот интерферометра в различных направлениях не привел к изменениям интерференционной картины, однозначно свидетельствовал об отсутствии какого-либо внешнего определенного движения Земли относительно "светоносного эфира" и доказывал чисто волновую природу света.
Таким образом, классический эксперимент Майкельсона-Морли сыграл ключевую роль в становлении волновой теории света и оптики в целом.
