Cómo utilizar interferencias localizadas para medir la longitud de onda de la luz monocromática y solicitar un plan experimental

Instrumento óptico que utiliza el principio de interferencia para medir la diferencia en caminos ópticos para determinar cantidades físicas relevantes. Cualquier cambio en la diferencia del camino óptico entre dos haces de luz coherente conducirá de manera muy sensible al movimiento de las franjas de interferencia, y el cambio en el camino óptico de un determinado haz de luz coherente es causado por el camino geométrico por el que pasa o la cambio en el índice de refracción del medio, por lo que a través de la interferencia El movimiento de las franjas puede medir pequeños cambios en la longitud geométrica o el índice de refracción, midiendo así otras cantidades físicas relacionadas. La precisión de la medición depende de la precisión de la medición de la diferencia de trayectoria óptica. Cada vez que la franja de interferencia se mueve un paso de franja, la diferencia de trayectoria óptica cambia en una longitud de onda (~10-7 metros). en unidades de longitud de onda de onda de luz. La alta precisión de la medición no tiene comparación con ningún otro método de medición.

Un instrumento fabricado basándose en el principio de interferencia de la luz. Cuando dos haces de luz de una fuente de luz se separan completamente, cada uno pasa por un camino óptico diferente y luego se fusionan nuevamente, pueden aparecer franjas de interferencia. En espectroscopia, se utilizan interferómetros precisos de Michelson o Fabry-Perot para determinar con precisión y detalle las longitudes de onda de las líneas espectrales y sus estructuras finas.

Los interferómetros se dividen en dos categorías: interferómetros de doble haz e interferómetros multihaz. Los primeros incluyen el interferómetro de Rayleigh, el interferómetro de Michelson y su variante, el interferómetro de Tayman, el interferómetro de Mach-Zinter, etc., los segundos incluyen el interferómetro de Fabry. -Interferómetro de Perot, etc. Los interferómetros son ampliamente utilizados, principalmente en los siguientes aspectos:

① Medición de precisión de longitud. En un interferómetro de doble haz, si el índice de refracción del medio es uniforme y constante, el movimiento de las franjas de interferencia es causado por el cambio en la distancia del recorrido geométrico de las dos luces coherentes según el número de movimiento de las franjas. Se puede realizar una comparación precisa o una medición absoluta de la longitud. Se utilizaron el interferómetro de Michelson y el interferómetro de Fabry-Perot para representar el metro internacional en términos de la longitud de onda de la línea roja de cadmio.

②Medición del índice de refracción. Las trayectorias geométricas de los dos haces permanecen sin cambios y los cambios en el índice de refracción del medio también pueden provocar cambios en la diferencia de trayectoria óptica, provocando así un movimiento marginal. El interferómetro de Rayleigh es un interferómetro típico que realiza mediciones relativas del índice de refracción a través del movimiento marginal. Los interferómetros Mach-Zinter utilizados en túneles de viento se utilizan para observar cambios en el índice de refracción del flujo de aire en tiempo real.

③Medición de longitud de onda. Cualquier método que mida una barra de un metro estándar en unidades de longitud de onda también es un método que mide la longitud de onda en unidades de una barra de un metro estándar. Utilizando el metro internacional como estándar, la longitud de onda de las ondas luminosas se puede medir con precisión mediante un interferómetro. Se utilizaron interferómetros Fabry-Perot (etalons) para determinar un estándar primario de longitud de onda (la longitud de onda de la línea roja de cadmio) y varios estándares de longitud de onda secundarios para determinar las longitudes de onda de otras líneas espectrales por comparación.

④Comprueba la calidad de los componentes ópticos. El interferómetro Tayman se utiliza comúnmente para inspeccionar la calidad de componentes ópticos como placas, prismas y lentes. Cuando una placa o prisma a inspeccionar se coloca en una de las trayectorias ópticas del interferómetro Tayman, cualquier falta de uniformidad en el índice de refracción o las dimensiones geométricas de la placa o prisma se reflejará en el patrón de interferencia. Si se coloca una lente en la trayectoria óptica, la distorsión del frente de onda causada por la lente se puede entender en función del patrón de interferencia y se puede evaluar la aberración de onda de la lente.

⑤ Utilizado como espectrómetro de alta resolución. Los interferómetros de haces múltiples, como el interferómetro de Fabry-Perot, tienen máximos de interferencia muy agudos y, por lo tanto, tienen una resolución espectral extremadamente alta y se utilizan a menudo para análisis espectrales de estructuras finas y estructuras ultrafinas.

⑥Papel en la historia. Los teóricos de las ondas del siglo XIX creían que las ondas de luz o las ondas electromagnéticas debían propagarse en un medio elástico. Este hipotético medio elástico se llama éter. Se realizaron una serie de experimentos para verificar la existencia del éter y explorar sus propiedades. Los experimentos más precisos se basan en el principio de interferencia, siendo los más famosos el experimento de Fizo y el experimento de Michelson-Morley. En 1851, A.H.L. Fizzo utilizó un interferómetro especialmente diseñado para realizar un experimento sobre la velocidad de la luz en un medio en movimiento para verificar si el medio en movimiento arrastra el éter. En 1887, A.A. Michelson y E.W. Morley colaboraron para utilizar el interferómetro de Michelson para intentar detectar el movimiento del éter relativamente absolutamente estacionario en la Tierra. El estudio del éter proporciona evidencia de la teoría especial de la relatividad de A. Einstein. El experimento utiliza el interferómetro de Michelson para medir la longitud de onda del láser. 1. Propósito: 1. Familiarizarse con la estructura principal del interferómetro de Michelson y dominar su método de ajuste.

2. Observe las condiciones de formación y las franjas de interferencia de igual espesor, interferencia de igual inclinación e interferencia no local. 2. Instrumentos y herramientas: 1. Interferómetro de Michelson; 2. Láser de He-Ne; 3. Vidrio esmerilado; 5. Fuente de luz blanca; 3. Interferómetro de Michelson: el interferómetro de Michelson se utiliza ampliamente en experimentos ópticos y tecnología de medición. Por ejemplo: se puede utilizar para medir la longitud de onda, la microlongitud y la longitud de coherencia de fuentes de luz. Se puede utilizar una fuente de luz con mejor coherencia para realizar mediciones precisas de longitudes mayores. También se puede utilizar para estudiar los efectos de la temperatura. y presión sobre la propagación de la luz. Dependiendo de las necesidades de la aplicación, los interferómetros de Michelson vienen en varias formas y su trayectoria óptica básica se muestra en la Figura 2. En la figura, S es la fuente de luz, G1 y G2 son placas de vidrio planas paralelas, G1 se llama divisor de haz, una de sus superficies está recubierta con una película metálica semitransparente y semirreflectante A, y G2 se llama placa de compensación. M1 y M2 son espejos planos perpendiculares entre sí. M1, M2 y G1, G2 forman ángulos. Tabla 2 Nombre y función de cada componente del interferómetro Número de serie Nombre del componente Función Notas 1 Tornillos de ajuste de la base (tres) Ajustan el nivel del instrumento 2 Soporte de la base de hierro fundido 3 Tornillo de precisión (paso 1 mm) Tornillo de precisión para ajustar con precisión el movimiento del el reflector plano M1 Si la palanca está dañada, la precisión del instrumento disminuirá o incluso el instrumento se desechará. Los movimientos deben ser suaves y lentos durante el uso. 4. Soporte de mesa mecánico 5. Los rieles de guía transportan el reflector plano M1, que se mueve hacia adelante y hacia atrás. 6. ¡El reflector plano M1 (espejo móvil) refleja la luz! 7. Los tornillos de ajuste del reflector (tres cada uno) deben usarse ligera y lentamente al ajustar la orientación espacial del reflector plano. 8. Reflector plano M2 (fijo). ¡No toque el espejo de luz reflejada! 9. El divisor de haz G1 divide un haz de luz en dos haces. ¡No los toque! 10 La función de compensación de la placa de compensación G2 garantiza que las trayectorias ópticas de los dos haces sean iguales. 11 Ventana de lectura 12 El dispositivo de transmisión del sistema de engranajes debe operarse de forma ligera y lenta. 13. El volante controla el movimiento del reflector plano M1 y gira 1 división para trasladar el espejo M1. 14. El tornillo del resorte de tensión horizontal ajusta con precisión el reflector M2. Al ajustar la inclinación del reflector M2 en esta dirección, el movimiento. debe ser ligero y lento. 15 El tambor de micromovimiento controla con precisión el movimiento del reflector plano M1 y gira la traslación del espejo M1 en 1 mm. 16 El tornillo del resorte de tensión en la dirección vertical ajusta con precisión la inclinación del reflector M2 en esta dirección. debe ser suave y lento. 1. Las principales especificaciones técnicas del interferómetro Michelson WSM-200 comúnmente utilizado en este laboratorio: a. Rango de movimiento del espejo móvil: 200 mm. b La lectura mínima del movimiento del espejo móvil es 0,0001 mm. Figura 12. Preste atención a los dos puntos siguientes al leer y medir: a Cuando se gira el tambor de avance lento, el volante gira, pero cuando se gira el volante, el tambor no gira. Por lo tanto, el punto cero debe ajustarse antes de la lectura. El método es: girar el tambor de avance lento en una dirección determinada (por ejemplo, en el sentido de las agujas del reloj) hasta cero y luego girar el volante en la misma dirección para alinearlo con una escala determinada. Después de eso, durante la medición, el tambor solo se puede girar en la misma dirección para mover el espejo M1, de modo que las lecturas del volante y del tambor puedan coincidir entre sí. b Para que los resultados de la medición sean correctos, es necesario evitar la introducción de un recorrido en vacío. Es decir, después de ajustar el punto cero, el tambor debe girarse varias veces en la dirección original hasta que las franjas de interferencia comiencen a desaparecer. mover y luego se puede iniciar la medición de lectura. c Figura 2 Para extender la vida útil del interferómetro de Michelson y evitar que el espejo esté sujeto a presión de deformación durante mucho tiempo, una vez completado el experimento, es necesario ajustar los tres tornillos de ajuste en la parte posterior del espejo. a un estado naturalmente relajado. 4. Principio experimental: 1. Fenómeno de interferencia localizado del interferómetro de Michelson: la trayectoria óptica del interferómetro de Michelson se muestra en la Figura 2. La luz emitida por la fuente de luz casi monocromática S se divide en superficies semirreflectantes A del vidrio plano paralelo G1. Dos haces de luz (haz (1) y haz (2) en la figura) que son perpendiculares entre sí. Los dos haces de luz son reflejados respectivamente por los espejos planos M1 y M2 y luego pasan a través de A para formar dos haces de luz paralelos entre sí. Finalmente, pasan a través de la lente convexa L y se superponen en el punto P a su misma. plano focal. G2 es una placa de compensación cuyo espesor de material es exactamente el mismo que G1, y los dos están colocados estrictamente paralelos. Su función es compensar el camino óptico del haz (2). Porque el haz (2) sólo pasa una vez a través del material de dispersión G1, mientras que el haz (1) pasa a través de G1 tres veces.

Sólo después de colocar la placa de compensación, cuando M1 y M2 se colocan estrictamente simétricamente sobre la superficie reflectante A, la diferencia de trayectoria óptica entre los haces de luz (1) y (2) para cualquier longitud de onda de luz es cero, por lo que al observar la luz blanca franjas de interferencia, la diferencia de trayectoria óptica debe colocarse en la placa de compensación; de lo contrario, no verá las franjas de interferencia. Supongamos que M2' es la imagen virtual de M2 ​​en la superficie semirreflectante A. Obviamente, el camino óptico de la luz reflejada por M2 para llegar al punto P es estrictamente igual al camino óptico de la luz reflejada desde la superficie reflectante virtual M2' hasta el punto P. Por lo tanto, en el plano focal las franjas de interferencia observadas son causadas por la superposición de la luz reflejada desde ambas superficies de la capa de aire entre M1 y M2'. Cuando M1 y M2 son estrictamente perpendiculares, es decir, M1 es paralelo a M2, verás franjas de interferencia isoclinales en el plano focal de L, cuya forma es un conjunto de círculos concéntricos y si el eje óptico principal de L es perpendicular a. el espejo M1, entonces el centro del círculo está en el foco F. La diferencia de trayectoria óptica entre los haces de luz (1) y (2) en el punto P es: ……………………(1) donde d es el espesor de la capa de aire entre M1 y M2′, i es la dirección de P El ángulo entre el haz (1) del punto y la línea normal de M1 El orden de interferencia es mayor en el centro del círculo (i=0). Si el centro del círculo es exactamente un punto brillante, entonces. la relación entre el orden myd del punto es: …………………………………… (2) Figura 3 Girar el tornillo de precisión en el interferómetro puede hacer que M1 se traslade hacia adelante y hacia atrás a lo largo de la recta Cuando d aumenta, el orden central del anillo de interferencia aumentará en consecuencia, por lo que se puede observar que los anillos de interferencia emergen del centro uno por uno. Por el contrario, cuando d disminuye, los anillos de interferencia se retraen hacia el centro. uno por uno, con cada cambio de 1 franja, (es decir, el centro del interferómetro cambia de brillante → oscuro → brillante o de Oscuro → Claro → Oscuro) d cambia la distancia. Esto permite una medición precisa de la longitud o longitud de onda de las ondas de luz. Si M1 y M2' están muy cerca y tienen un pequeño ángulo de cuña entre sí, se pueden observar franjas de interferencia de igual espesor. Las franjas están localizadas en la capa de aire (o cerca de ella), y la forma de la franja es un conjunto de franjas rectas. paralelo al borde de la cuña. A medida que aumenta la distancia entre M1 y M2', los cambios en el ángulo de incidencia hacen que las franjas se doblen y sobresalgan hacia un lado de la cuña. Al observar franjas de igual grosor, puede enfocar directamente la cuña de aire con los ojos, o. También se puede utilizar una lente convexa. La cuña de aire se visualiza en la superficie del yugo. 2. Fenómeno de interferencia no local del interferómetro de Michelson: Recientemente, debido al uso de láser como fuente de luz, también se puede observar el fenómeno de interferencia no local del interferómetro de Michelson. En la Figura 3, el láser pasa a través de una distancia focal corta. La lente L y converge en una fuente de luz puntual S con alta intensidad aumenta su ángulo de divergencia muchas veces y luego ingresa al interferómetro de Michelson. A es la superficie semirreflectante de G1 (G1 se omite y no se muestra), S' es la imagen virtual formada por la fuente de luz puntual S que pasa a través de la superficie semirreflectante, S1' es la imagen virtual formada por S' que pasa a través de M1, S2' es S 'Imagen virtual formada por M2'. Obviamente, S1 'y S2' son un par de fuentes de luz coherentes, siempre que la pantalla de observación se coloque en el área de superposición de las ondas de luz emitidas por las dos fuentes de luz puntuales, se puede ver el fenómeno de interferencia, por lo que este tipo de interferencia. de interferencia se llama interferencia no local. La intensidad de la luz en cualquier punto P en la pantalla de observación C depende de la diferencia de trayectoria óptica desde S1' y S2' hasta ese punto: dado que la intensidad de la luz en el punto con la misma diferencia de trayectoria óptica es la misma, se forman franjas de interferencia. por la intersección de un conjunto de hiperboloides giratorios y la pantalla de observación. El eje de rotación de la curva es la línea que conecta S1' y S2'. Cuando la pantalla de observación C es perpendicular al eje S1'S2', se puede ver un conjunto de franjas de interferencia concéntricas claras y oscuras. El centro del círculo es P0, el punto de intersección del eje S1'S2' y la pantalla. La diferencia de trayectoria óptica en P0 puede demostrar que, Diferencia de trayectoria óptica en cualquier punto de la pantalla: ………………… (3) donde i es el ángulo entre el rayo de luz de S1' que incide en el punto P y la línea normal de M1. La ecuación (3) es la misma que la ecuación (1) en el caso localizado. Cuando la distancia d entre M1 y M2' cambia continuamente, también puedes ver rayas que sobresalen (o se marcan) en el centro del círculo. Por tanto, en la pantalla C se verá un conjunto de franjas en forma de arco. 4. Contenido del experimento: 1. Observar el fenómeno de interferencia no localizado del láser; 2. Observar el fenómeno de interferencia localizado: a. Interferencia equiclínica; b. Interferencia de igual espesor: 1. Iluminar el He-Ne; Láser. Deje que el láser emita luz de manera estable durante media hora antes de volver a medir.

Parte de observación: 2. Haga que el rayo láser He-Ne sea aproximadamente perpendicular a M2. Coloque una pantalla de vidrio esmerilado en C y podrá ver dos filas de puntos láser. Cada fila tiene varios puntos de luz. Esto se debe a la diferencia entre G1. y la superficie reflectante también hay una reflexión parcial en la superficie de vidrio plana del lado opuesto. Ajuste los tres tornillos en la parte posterior de M2 ​​de modo que los dos puntos más brillantes de las dos filas se superpongan aproximadamente, luego M2' quede paralelo a M1. 3. Utilice una lente de distancia focal corta para expandir el rayo láser y podrá ver rayas en forma de arco en la pantalla. Luego ajuste el tornillo de ajuste fino debajo del soporte de la lente M2 para que M2' y M1 sean estrictamente paralelos y el arco. Las rayas en forma se transforman gradualmente en rayas circulares. 4. Otro método de ajuste consiste en hacer que el delgado rayo láser pase a través del diafragma de apertura y luego ilumine el espejo semirreflectante del interferómetro. Ajuste M1 de modo que el punto más brillante en la fila de puntos de luz reflejados regrese al diafragma de apertura, de modo que M2' pueda ser paralelo a M1. En el proceso de ajustar las franjas de arco a franjas circulares, se deben examinar cuidadosamente los cambios en las franjas y se debe juzgar la inclinación relativa entre M2 y M1 en función de la forma de la franja, para determinar qué tornillos ajustar, si aflojar o apretar, etc. 5. Cambie la distancia entre M2' y M1, juzgue si d se hace mayor o menor según la forma y el ancho de las franjas y registre los cambios en las franjas. Explique la relación entre el espesor, la densidad y d de las rayas. 6. Coloque el vidrio esmerilado delante de la lente L para que la onda esférica se convierta en una fuente de luz extendida (fuente de luz de superficie) a través de la reflexión difusa. Si es necesario, agregue dos piezas de vidrio esmerilado. Las rayas circulares son visibles mirándolas directamente con los ojos enfocados al infinito. 7. Luego ajuste el tornillo de ajuste fino de M2 ​​de modo que cuando el ojo se mueva hacia arriba, abajo, izquierda y derecha, el tamaño de cada franja circular permanezca sin cambios y solo el centro del círculo se mueva con el movimiento del ojo. En este momento, lo que vemos es el fenómeno de franjas de interferencia localizadas. Se revelan las franjas de interferencia. 8. Gire el sistema de transmisión del espejo M1 para mover M1 hacia adelante y hacia atrás y observe el patrón de cambios marginales (los mismos requisitos que la interferencia no local). 9. Mueva el espejo M1 para que el espejo M1 y M2' se superpongan aproximadamente. Ajuste el tornillo de ajuste fino de M2 ​​para que aparezca un pequeño ángulo entre M2' y M1 en el campo de visión. el espaciado de las franjas de interferencia es inversamente proporcional al ángulo. Si el ángulo es demasiado grande, las franjas se vuelven tan densas que ni siquiera se pueden observar franjas de interferencia. En este momento, lo que vemos son franjas de igual espesor en el fenómeno de interferencia localizada. . Establezca el espaciado de las franjas en aproximadamente 1 mm, mueva el espejo M1 y observe el proceso de cambio de las franjas de interferencia de curvas a rectas y luego a curvas. Parte de medición: 10. Después de ajustar las franjas de interferencia isoclinales, mueva lentamente el espejo M1 desde una determinada posición, cambie el tamaño de d y cuente los cambios en las franjas de interferencia. Cuando N ≥ 500, deje de moverse y registre las lecturas del interferómetro. El valor de indicación de la ventana es △d, luego la longitud de onda del láser He-Ne es. Repita los pasos anteriores tres veces para calcular la longitud de onda del láser He-Ne. 6. Preguntas para pensar: 1. Si no utiliza una fuente de luz láser, utilice luz de sodio desde el principio, intente formular los pasos principales para ajustar las franjas de interferencia isoclínica