Интерферометр — измерительный прибор¶

Интерферометр — измерительный прибор (класс оптических приборов), в котором измерение физических величин основано на интерференции света: двух или нескольких когерентных волн накладываются друг на друга, и по характеру интерференционной картины — распределению максимумов и минимумов интенсивности — судят о разности оптических путей, показателе преломления, длине волны, шероховатости поверхности и других параметрах. Интерферометры обладают исключительно высокой точностью: смещение интерференционных полос на доли длины волны легко регистрируется, что позволяет измерять линейные перемещения с точностью до нанометров.

¶Принцип действия

Интерференция — явление наложения двух и более когерентных волн, при котором амплитуда результирующей волны в каждой точке пространства определяется алгебраической суммой амплитуд составляющих волн. Для наблюдения устойчивой интерференционной картины необходимы:

• когерентность источников (постоянная разность фаз во времени);
• близкие частоты;
• достаточно малая разность оптических путей (в пределах длины когерентности).

В интерферометре пучок света от одного источника разделяется на два или более, которые распространяются по разным траекториям (по «рукавам» прибора), а затем снова совмещаются. Разность оптических путей $\Delta = n_1 l_1 - n_2 l_2$ (где $n$ — показатель преломления среды, $l$ — геометрическая длина траектории) определяет, будут ли волны в точке совпадения в фазе (максимум интенсивности) или в противофазе (минимум). Изменение $\Delta$ на $\lambda/2$ приводит к смещению интерференционной картины на одну полосу.

¶Основные типы

¶Интерферометр Майкельсона

Наиболее распространённая конструкция. Пучок от источника падает на полупрозрачное зеркало, которое отражает одну часть на подвижное зеркало, а другую пропускает к неподвижному. Отражённые пучки возвращаются к полупрозрачному зеркалу, где совмещаются и направляются к экрану или детектору. Перемещение подвижного зеркала на $\lambda/2$ сдвигает картину на одну полосу, что позволяет измерять смещения с точностью порядка десятков нанометров. Американский физик Альберт Майкельсон в 1881—1887 годах с помощью такого интерферометра совместно с Эдвардом Морли провёл известный эксперимент по поиску «эфирного ветра», результат которого стал одним из оснований для создания теории относительности.

¶Интерферометр Фабри — Перо

Эталон Фабри — Перо состоит из двух параллельных полупрозрачных зеркал с высокой отражающей способностью. Многократные отражения создают серию когерентных пучков, интерференция которых даёт очень узкие и яркие кольца (или полосы) в сходящемся пучке. Параметр точности (число Фине) может достигать сотен тысяч, что делает прибор основным средством высокоразрешающей спектроскопии. Прибор предложен французскими физиками Шарлем Фабри и Альфредом Перо в 1899 году.

¶Применение

Интерферометры применяются в широком спектре областей:

• Метрология — эталонирование мер длины, калибровка линейных и угловых перемещений.
• Астрономия — наземные интерферометры увеличивают угловое разрешение телескопов; крупнейшие комплексы — VLT (Европейская южная обсерватория), Keck (США). В 2015 году в России на базе Специальной астрофизической обсерватории начата работа над проектом наземного интерферометра для инфракрасного диапазона.
• Гравитационно-волновая астрономия — установки LIGO (США) и Virgo (Европа) представляют собой километровые интерферометры Майкельсона с лазерными источниками и сверхточными системами изоляции. В 2015 году LIGO впервые зарегистрировал гравитационные волны, что подтвердило предсказания общей теории относительности. Российские учёные (МГУ, Институт физики имени Лебедева, Санкт-Петербургский политехнический университет) участвуют в проекте «Детектор» — планируемой подземной установке в горе Байкал.
• Промышленный контроль — измерение шероховатости и плоскостности поверхностей, контроль качества линз и зеркал.
• Биология и медицина — интерференционная микроскопия позволяет наблюдать прозрачные биологические объекты без окрашивания, измеряя оптическую толщину.
• Телекоммуникации — интерферометры используются в волоконно-оптических датчиках температуры, давления и деформаций.

¶Точность и ограничения

Погрешность интерферометрических измерений определяется длиной волны излучения (для видимого света — сотни нанометров), поэтому метод относится к наиболее точным в оптике. Ограничения связаны с требованиями к вибрационной стабильности, температурной стабильности и качеству оптических элементов; для высокоточных измерений приборы размещают на пневмовибростолах, в термостабилизированных помещениях, а в астрономических и физических экспериментах — в вакуумных камерах.

¶История

Интерференционные явления были впервые использованы для измерений Томасом Юнгом (начало XIX века) и Джорджем Эйри при построении интерференционного клина (1830-е годы). Систематическое развитие метод получил после создания интерферометра Майкельсона (1880-е), а затем эталона Фабри — Перо (1899). В XX веке интерферометрия стала основой когерентной оптики, лазерной техники и высокоточной метрологии.

¶Источники

• Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука.
• Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Наука.
• Харви Дж. Детектирование света. — М.: Техносфера.
• Справочник по конструированию оптико-электронных приборов / под ред. В. Н. Чурилова. — М.: Машиностроение.