Александр Китайгородский - Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Интерференционные события будут проходить одинаково у лучей одинакового наклона. Они и соберутся в одном месте фокальной плоскости зрительной трубы. Если разность хода между расщепленными частями пучка будет меняться, то полосы придут в движение. При изменении разности хода на величину Δ через окуляр трубы пройдут Δ / λ , полос.

Точность метода очень велика, ибо смещение в 0,1 полосы улавливается без труда. При таком смещении Δ= 0,1∙ λ= 0,5∙10 -5см, что на длине l = 10 см позволит зафиксировать изменение показателя преломления на 0,5∙10 -6.

Необходимо рассказать теперь об интерферометре другого типа, не использующего явление преломления. Это интерферометр, созданный американским физиком Альбертом Майкельсоном (1852–1931). Трудно переоценить ту роль, которую он сыграл в истории физики (я рискну даже на более сильное утверждение: в истории человеческой мысли). С помощью этого интерферометра был впервые установлен факт исключительной важности: скорость света в направлениях вдоль и поперек земной орбиты одинакова. Это значит, что скорость света не складывается со скоростью движения лампы, дающей световую вспышку, по тем правилам, по которым складывается скорость пули со скоростью сдвижения стрелка с ружьем. Открытие этого замечательного факта привело к становлению теории относительности, к коренному пересмотру смысла основных научных понятий — длины, времени, массы, энергии. Но об этом речь у нас впереди. А об интерферометре Мендельсона нам стоит поговорить сейчас, так как его значимость определяется не только местом, занимаемым в истории физики, но и тем, что до сего времени простые принципы, лежащие в основе его конструкции, используются для измерения длин и расстояний.

В этом приборе параллельный пучок монохроматического света падает на плоскопараллельную пластинку P 1(рис. 2.7), покрытую со штрихованной стороны полу прозрачным слоем серебра. Эта пластинка поставлена под углом 45° к падающему от источника лучу и делит его на два, один из которых идет параллельно падающему лучу (к зеркалу M 1), а другой — перпендикулярно (к зеркалу М 2).

Разделенные лучи падают на оба зеркала перпендикулярно и возвращаются в те самые места полупрозрачной пластинки, из которых они вышли. Каждый луч, вернувшийся от зеркала, повторно расщепляется на пластинке. Часть света возвращается в источник, а другая часть поступает в зрительную трубу. На рисунке видно, что луч, идущий от зеркала, стоящего напротив трубы, три раза проходит через стеклянную пластинку с полупрозрачным слоем. Поэтому для обеспечения равенства оптических путей луч, идущий от зеркала М 1, пропускается через компенсационную пластинку P 2, идентичную первой, но без полупрозрачного слоя.

В поле зрения трубы будут наблюдаться круговые кольца, соответствующие интерференции в воздушном слое (толщина которого равна разности расстояний зеркал от места расщепления лучей) первичных лучей, образующих конус. Перемещение одного из зеркал (например, зеркала М 2в положение, показанное пунктиром) на четверть длины волны будет соответствовать переходу от максимума к минимуму, т. е. вызовет смещение картины на полкольца. Это может быть отчетливо отмечено наблюдателем. Таким образом, в фиолетовых лучах чувствительность интерферометра больше чем 100 нм.

Появление на сцене лазеров произвело революцию в технике интерферометрии.

Дело заключается в следующем. Время излучения атома равно 10 -8—10 -9с. Единичный акт излучения состоит в испускании цуга волн. Поскольку время излучения столь мало, то, несмотря на большую скорость света, цуг очень короткий. Когда мы расщепляем луч на части, то интерферировать могут только две части одного и того же цуга волн. Это значит, что один отрезок синусоиды должен существенно перекрыться с другим отрезком. Но для этого, разумеется, необходимо, чтобы разность хода между расщепившимися частями луча была значительно меньше длины цуга.

Максимальная разность хода между лучами, при которой может наблюдаться интерференция, носит название когерентной длины. Для света это доли миллиметра.

Но смотрите, сколь разительно меняется ситуация при лазерном излучении. Лазер непрерывного действия создает фотоны стимулированного излучения, отправляющиеся в путешествие в одной и той же фазе. Или, говоря на волновом языке, цуги волн, исходящие из равных атомов, накладываются друг на друга, создавая как бы единую волну. Когерентная длина практически становится неограниченной и во всяком случае измеряется метрами и километрами (идеал, как всегда, недостижим; но я не стану останавливаться на различных факторах, влияющих на когерентную длину).

Пользуясь лазерным светом, можно строить интерферометры, позволяющие решать задачи, которые ранее считались неосуществимыми. Так, скажем, при обычном источнике света зеркало интерферометра Майкельсона можно смещать лишь на величины порядка миллиметра. Если же световой луч создается лазером, то путь луча, падающего на зеркало М 1, может быть равен нескольким сантиметрам, а луча, отраженного от М 2,— десяткам метров.

Интерферометры для контроля сферичности линз могут быть изготовлены с одной-единственной поверхностью сравнения, в то время как, используя обычный свет, с изменением радиуса испытываемой линзы приходилось менять и эталон сравнения (так как нельзя было работать с большими разностями хода). Мы уже не говорим о том, что интерференционные картины стали несравненно ярче, а поэтому анализируются легко и более точно.

Возможность обходиться без компенсации оптического пути одного из лучей позволяет изготовлять интерферометры совершенно нового типа. Становится возможным следить за смещениями плотин, геологическим дрейфом, колебаниями земной коры. Отражая лазерный свет от объектов, находящихся на большом расстоянии, и заставляя его интерферировать с исходным, можно производить точные измерения скорости движения таких объектов.

Устройство, создающее лазерный луч, конечно, можно назвать прибором, поскольку оно применяется для анализа, контроля, наблюдений. Однако, в отличие от других оптических приборов, несравненно большее значение лазер имеет в промышленности. Использование лазеров настолько всеобъемлюще, что мы будем к нему неоднократно возвращаться. В этом параграфе мы остановимся на применениях лазера для обработки материалов. Если не нужна большая мощность, то можно воспользоваться компактным неодимовым лазером. Сердцем этого лазера является, как уже говорилось, стекло, легированное неодимом. Стеклянный стержень имеет длину 50 мм и диаметр 4 мм. Вспышка света, производящего накачку, дается ксеноновои лампой. Для того чтобы избежать потерь световой энергии, лампа и стержень заключены в цилиндрическую камеру, которая охлаждается водой.