Примери за интерферометри. Примери за интерферометри Определяне на концентрацията на разтвори с помощта на интерферометър на Rayleigh

ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ ЗА ОБРАЗОВАНИЕ

ДЪРЖАВНА ОБРАЗОВАТЕЛНА ИНСТИТУЦИЯ ЗА ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ

ДОНСКИ ДЪРЖАВЕН ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ

Катедра по физика

Определяне на концентрацията на разтвори с помощта на Rayleigh интерферометър

Указания за лабораторна работа № 12

по физика

(Раздел „Оптика“)

Ростов на Дон 2011 г

Съставител: д-р на техническите науки, проф. С.И. Егорова,

д-р, доцент И.Н. Егоров,

д-р, доцент G.F. Лемешко.

„Определяне на концентрацията на разтвори с помощта на интерферометър на Rayleigh”: Метод. инструкции. - Ростов n/a: Издателски център на DSTU, 2011. - 8 с.

Публикувано с решение на методическата комисия на факултет „Нанотехнологии и композитни материали”

Научен редактор проф., д-р на техническите науки СРЕЩУ. Кунаков

Цел на работата: 1. Изучете принципа на действие на интерферометъра на Rayleigh.

2. Изследвайте явленията на интерференция с помощта на интерферометър на Rayleigh.

3. Определете концентрацията на етилов алкохол във вода.

Оборудване: Интерферометър на Rayleigh, кювети с тестови разтвори.

Кратка теория

Намеса - това е наслагването на кохерентни вълни, при което се получава пространствено преразпределение на светлинния поток, в резултат на което на едни места се появяват максимуми, а на други - минимуми в светлинния интензитет.

Съгласуван се наричат вълни с еднаква честота и постоянна фазова разлика. За да се получат кохерентни вълни, е необходимо да се раздели светлинен лъч, излъчван от един източник.

Интерферентната картина може да бъде получена с помощта на устройството ITR-1, което се основава на веригата на интерферометъра на Rayleigh, в която интерферентната картина се получава от два кохерентни светлинни лъча, преминаващи през два успоредни процепа (фиг. 1).

Светлина от източник 1 (крушка с нажежаема жичка) се събира с помощта на кондензатор върху процепа 2 , разположен във фокалната равнина на колиматорната леща 3 . Паралелен сноп от лъчи, излизащ от лещата, е разделен от два процепа на диафрагмата 4 . Тези процепи могат да се разглеждат като два източника на вторични светлинни вълни, които са кохерентни.

Кохерентните светлинни лъчи преминават през лещата 6 , а горната част на лъчите минава през кюветите 5 (фиг. 1), а долната е директно насочена в обектива. В резултат на това във фокалната равнина на лещата възниква интерференция на две двойки кохерентни лъчи. Интерферентната картина, образувана от два процепа, е система от тъмни и светли ивици. Позицията на тъмната (минимално условие) или светлата (максимално условие) лента се определя от оптичната разлика в пътя на интерфериращите лъчи:

- максимално условие, (1)

- минимално условие, (2)

Където - разлика в оптичния път, която е равна на разликата в дължините на оптичния път, т.е.
, (3)

Тук
- показатели на пречупване,
- пътеки, преминати от светлина, - дължина на вълната на светлината,
- ред на максимум или минимум.

Наблюдението се извършва през окуляра 7 (Фиг. 1).

Интерферентният модел е показан на фиг. 2. Лъчите, преминаващи през кюветите, образуват долната интерферентна картина, а лъчите, преминаващи през кюветите, формират горната. Допълнителната разлика в пътя на лъчите в кюветите предизвиква изместване на горната система спрямо долната. Ако кюветите се напълнят с газове или течности с различни показатели на пречупване, ще се появи допълнителна разлика в пътя, определена по формула (3).

С помощта на компенсаторно устройство лентовите системи могат да се комбинират (фиг. 3).

В тази работа кюветите са с еднаква дължина ( ). Едната съдържа дестилирана вода, а другата съдържа разтвор на етилов алкохол във вода. Следователно допълнителната разлика в пътя на лъчите е:

, (4)

Където - дължина на кюветата,
са показателите на пречупване съответно на разтвора и дестилираната вода.

Интерферометър на Рейли

ИНТЕРФЕРОМЕТЪР НА РЕЙЛЕЙ (интерферентен рефрактометър) - интерферометър за измерване на индексите на пречупване, основан на явлението дифракция на светлината върху два успоредни процепа. Диаграмата на Rayleigh Interferometer е представена на (фиг. 10) във вертикална и хоризонтална проекция.

Ярко осветен процеп с малка ширина S служи като източник на светлина, разположен във фокалната равнина на лещата O 1 . Паралелен лъч от лъчи, излизащ от O 1, преминава през диафрагма D с два успоредни процепа и тръби R 1 и R 2, в които се въвеждат изследваните газове или течности. Тръбите са с еднаква дължина и заемат само горната половина на пространството между O 1 и лещата на телескопа O 2. В резултат на интерференцията на светлината, дифрактираща върху прорезите на диафрагмата D, във фокалната равнина на лещата O 2, вместо изображението на прореза S, се образуват две системи от интерферентни ивици, схематично показани на фиг. 10 . Горната система от ивици се образува от лъчи, преминаващи през тръбите R 1 и R 2, а долната от лъчи, преминаващи покрай тях. Интерферентните ивици се наблюдават с помощта на късофокусен цилиндричен окуляр O 3 . В зависимост от разликата в показателите на пречупване n 1 и n 2 на веществата, поставени в R 1 и R 2, горната система от ленти ще бъде изместена в една или друга посока. Чрез измерване на големината на това смесване може да се изчисли n 1 - n 2. Долната система от ленти е неподвижна и от нея се измерват движенията на горната система. Когато процепът S е осветен с бяла светлина, централните ивици на двете интерферентни картини са ахроматични, а ивиците, разположени вдясно и вляво от тях, са оцветени. Това улеснява откриването на централните ивици. Измерването на движението на горната система от ленти се извършва с помощта на компенсатор, който въвежда допълнителна фазова разлика между лъчите, преминаващи през R 1 и R 2, докато се комбинират горната и долната система от ленти. С помощта на Rayleigh интерферометър се постига много висока точност на измерване до 7-ия и дори 8-ия знак след десетичната запетая. Интерферометърът Rayleigh се използва за откриване на малки примеси във въздуха, водата, за анализ на газове от рудни и пещи и за други цели.

Интерферометър на Фабри-Перо

ИНТЕРФЕРОМЕТЪР НА ФАБРИ-ПЕРО е многолъчево интерферентно спектрално устройство с двумерна дисперсия, с висока разделителна способност. Използва се като устройство с пространствено разлагане на радиацията в спектър и фотогр. регистрация и като сканиращо устройство с фотоелектрическа регистрация. Интерферометърът на Фабри-Перо е плоскопаралелен слой от оптически хомогенен прозрачен материал, ограничен от отразяващи равнини. Най-широко използваният въздушен интерферометър на Фабри-Перо се състои от две стъклени или кварцови пластини, разположени на определено разстояние d една от друга (фиг. 11.). Върху обърнатите една към друга равнини са нанесени силно отразяващи покрития (направени с точност до 0,01 дължина на вълната). интерферометърът на Фабри-Перо е разположен между колиматорите; Във фокалната равнина на входния колиматор е монтирана осветена диафрагма, която служи като източник на светлина за интерферометъра на Фабри-Перо. Плоска вълна, падаща върху интерферометър на Фабри-Перо в резултат на множество отражения от огледала и частичен изход след всяко отражение, се разделя на голям брой плоски кохерентни вълни, които се различават по амплитуда и фаза. Амплитудата на кохерентните воли намалява според закона на геометричната прогресия и разликата в пътя между всяка съседна двойка кохерентни воли, движещи се в дадена посока, е постоянна и равна

където n е индексът на пречупване на средата между огледалата (за въздух n=1) и е ъгълът между лъча и нормалата към огледалата. Преминавайки през лещата на изходния колиматор, кохерентните вълни интерферират в неговата фокална равнина F и образуват пространствена интерферентна картина под формата на пръстени с еднакъв наклон (фиг. 12.). Разпределението на интензитета (осветеността) в интерференционната картина се описва с израза

I =f k BTу/f 2 2,

където B е яркостта на източника, f k е пропускливостта на колиматорните лещи. y е площта на напречното сечение на аксиалния паралелен лъч, f 2 е фокусното разстояние на изходната колиматорна леща, T е предавателната функция на интерферометъра на Фабри-Перо.

T= T max (1+з 2 sin 2 k?) -1

Където T max = , k = 2r/l

z = 2/(1- c), f, c и a са съответно коефициентите на пропускливост, отражение и поглъщане на огледалата и f + c + a = 1.

Функцията на предаване T и следователно разпределението на интензитета има осцилиращ характер с остри максимуми на интензитета (фиг. 13), чиято позиция се определя от условието

където m (цяло число) е редът на спектъра, l е дължината на вълната. В средата между съседни максимуми функцията T има минимуми

Тъй като положението на интерференционните максимуми зависи от ъгъла u и равния на него ъгъл h на излизане на лъчите от втората стъклена плоча, интерферентната картина има формата на концентрични пръстени (фиг. 12), определени от условието локализиран в областта на геометричния образ на входната диаграма (фиг. 11) .

Радиусът на тези пръстени е равен, което означава, че при m = const има недвусмислена връзка между r m и r и следователно интерферометърът на Фабри-Перо произвежда пространствено разлагане на радиацията в спектър. Линейното разстояние между максимумите на съседните пръстени и ширината на тези пръстени (фиг. 13.) намаляват с увеличаване на радиуса, т.е. с увеличаване на r t интерферентните пръстени стават по-тесни и по-плътни. Ширината на пръстените?r също зависи от коефициента на отражение c и намалява с увеличаване на c.

Съотношението на апертурата на истинския интерферометър на Фабри-Перо е няколкостотин пъти по-голямо от съотношението на апертурата на дифракционен спектрометър със същата разделителна способност, което е неговото предимство. Тъй като интерферометърът на Фабри-Перо, който има висока разделителна способност, има много малка област на дисперсия, при работа с него е необходима предварителна монохроматизация, така че ширината на изследвания спектър да е по-малка. За тази цел често се използват инструменти за кръстосана дисперсия, комбиниращи интерферометър на Фабри-Перо с призмен или дифракционен спектрограф, така че посоките на дисперсиите на интерферометъра на Фабри-Перо и спектрографа да са взаимно перпендикулярни. Понякога за увеличаване на площта на дисперсия се използва система от два интерферометъра на Фабри-Перо, разположени един зад друг с различни разстояния d, така че съотношението им d 1 / d 2 да е равно на цяло число. Тогава областта на дисперсията се определя от „по-тънкия“ интерферометър на Фабри-Перо, а разделителната способност се определя от „по-дебелия“. При инсталиране на два еднакви интерферометра на Фабри-Перо, разделителната способност се увеличава и контрастът на интерферентната картина се увеличава.

Интерферометрите на Фабри-Перо се използват широко в ултравиолетовите, видимите и инфрачервените области на спектъра за изследване на фината и ултрафина структура на спектралните линии, за изследване на модовата структура на лазерното лъчение и др. Интерферометърът на Фабри-Перо се използва и като резонатор в лазерите.

Интерферометър на Рейли

Схема на интерферометър на Релей

Интерферометър на Рейли- еднопроходен двоен лъч интерферометър, разделяйки светлината от източника на два потока, фазова разликамежду които се създава чрез преминаване на светлина през две еднакви кювети, изпълнен с различни газове. Първо предложено Лорд Рейлипрез 1886 г. Използва се за определяне индекс на пречупванегазове

Схематична диаграма

Светлината от източника преминава лещи, създавайки паралелен лъч и отвори, изрязвайки два лъча от него (рамена на интерферометър). Всеки лъч преминава през собствена клетка с газ. На изхода на веригата има леща, която събира двата лъча заедно, за да произведе интерферентни ивици в своята фокус.

За измервания в едно от рамената се вкарва компенсатор - например стъклена плоча, чрез завъртане на която можете да промените дължина на оптичния пътгреда в рамото. Ако индексът на пречупване в едно от рамената е равен на н, тогава вторият неизвестен индекс на пречупване е равен на

където е дължината на кюветата с газ, - дължина на вълнатаизточник на светлина, - ред на интерференция (броят на интерферентните ивици, пресичащи се в дадена точка). С типични параметри на настройка - дължина на клетката от един метър, дължина на вълната от 550 nm и ред на смущение от 1/40 - може да бъде измерена разлика в индекса на пречупване от 10 −8. Чувствителността на интерферометъра се определя от дължината на клетката. Максималната му дължина обикновено се определя от техническите възможности за контрол на температурата, тъй като топлинната флуктуациище изкриви показателите на пречупване на газовете.

Литература

Макс Борн, Вълк, Емил ( Английски Емил Волф) Принципи на оптиката: Електромагнитна теория за разпространение, интерференция и дифракция на светлината. - 7-ми. - Архив CUP, 2000. - С. 299-302. - 986 стр. - ISBN 9780521784498
П. ХарихаранОснови на интерферометрията. - Academic Press, 2007. - С. 15. - 226 с. - ISBN 9780123735898

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво е „интерферометър на Rayleigh“ в други речници:

Интерферометър на Рейли- Reilėjaus interferometras statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Rayleigh интерферометър vok. Интерферометър на Rayleighsches, рус. Интерферометър на Rayleigh, m pranc. интерферометър на Rayleigh, m … Fizikos terminų zodynas

Измервателно устройство, базирано на вълнова интерференция. Има I. за звук. вълни и за електрически маг. вълни (оптични и радиовълни). Оптичен I. се използват за оптично измерване. спектър на дължина на вълната. линии, показатели на пречупване на прозрачни среди, абс.... ... Физическа енциклопедия

Вижте интерферометър на Рейли. Физическа енциклопедия. В 5 тома. М.: Съветска енциклопедия. Главен редактор А. М. Прохоров. 1988 г. ... Физическа енциклопедия

Интерферометърът е измервателно устройство, чийто принцип на действие се основава на явлението интерференция. Принципът на действие на интерферометъра е следният: лъч електромагнитно излъчване (светлина, радиовълни и др.) с помощта на... ... Wikipedia

ИНТЕРФЕРОМЕТЪР НА РЕЙЛЕЙ, интерферометър (вижте ИНТЕРФЕРОМЕТЪР) за измерване на индекса на пречупване въз основа на дифракцията на светлината върху два успоредни процепа... енциклопедичен речник

Двулъчев интерферометър, състоящ се от две огледала M1, M2 и две успоредни полупрозрачни пластини Фиг. 1. Схема на интерферометър Рождественски P1 P2 (фиг. 1); M1, P1 и M2, P2 са инсталирани по двойки успоредно, но M1 и M2 са наклонени... ... Физическа енциклопедия

Измервателно устройство, което използва вълнова интерференция. Има сигнали за звукови и електромагнитни вълни: оптични (ултравиолетови, видими и инфрачервени области на спектъра) и радиовълни с различна дължина. I. се използват...... Велика съветска енциклопедия

- (интерферентен рефрактометър) двулъчев интерферометър, използван за измерване на ниските индекси на пречупване на газове, предложен от Jules Jamin през 1856 г. Съдържание 1 Устройство 2 Приложение ... Wikipedia

- (от интерференция и... метър) устройство, в което явлението интерференция се използва за прецизни измервания. За измерване на индекса на пречупване, проверка на габаритни блокове, измерване на ъгловите размери на звездите в астрономията, дефектоскопия и... ... Голям енциклопедичен политехнически речник

Стрът, Джон Уилям, 3-ти барон Рейли Джон Уилям Струт Джон Уилям Струт Дата на раждане: 12 ... Wikipedia

7. Интерферометър на Релей

Ултразвуковият интерферометър е устройство за измерване на фазова скорост и коефициент на поглъщане, чийто принцип на работа се основава на интерференция на акустични вълни. Типичен ултразвуков интерферометър (Фигура...