Ejemplos de interferómetros. Ejemplos de interferómetros Determinación de la concentración de soluciones utilizando un interferómetro de Rayleigh

AGENCIA FEDERAL DE EDUCACIÓN

INSTITUCIÓN EDUCATIVA ESTATAL DE EDUCACIÓN PROFESIONAL SUPERIOR

UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL ESTADO DE DON

Departamento de Física

Determinación de la concentración de soluciones mediante un interferómetro de Rayleigh.

Pautas para el trabajo de laboratorio. № 12

en física

(Sección “Óptica”)

Rostov del Don 2011

Compilado por: Doctor en Ciencias Técnicas, Prof. SI. Egorova,

Ph.D., Profesor Asociado EN. Egórov,

Ph.D., Profesor Asociado G.F. Lemeshko.

“Determinación de la concentración de soluciones mediante un interferómetro de Rayleigh”: Método. instrucciones. - Rostov n/a: Centro editorial de DSTU, 2011. - 8 p.

Publicado por decisión de la comisión metodológica de la facultad “Nanotecnologías y Materiales Compuestos”

Editor científico Prof., Doctor en Ciencias Técnicas V.S. kunakov

Objetivo del trabajo: 1. Estudiar el principio de funcionamiento del interferómetro de Rayleigh.

2. Estudiar los fenómenos de interferencia utilizando un interferómetro de Rayleigh.

3. Determinar la concentración de alcohol etílico en agua.

Equipo: Interferómetro Rayleigh, cubetas con soluciones de prueba.

Breve teoría

Interferencia - esta es la superposición de ondas coherentes, en la que se produce una redistribución espacial del flujo de luz, como resultado de lo cual aparecen máximos en algunos lugares y mínimos en la intensidad de la luz en otros.

Coherente Se llaman ondas de la misma frecuencia y diferencia de fase constante. Para obtener ondas coherentes, es necesario dividir un haz de luz que emana de una fuente.

El patrón de interferencia se puede obtener utilizando el dispositivo ITR-1, que se basa en el circuito del interferómetro de Rayleigh, en el que el patrón de interferencia se obtiene a partir de dos haces de luz coherentes que pasan a través de dos rendijas paralelas (Fig. 1).

Luz de la fuente 1 (bombilla incandescente) se recoge mediante un condensador en la hendidura 2 , ubicado en el plano focal de la lente colimadora 3 . Un haz paralelo de rayos que emerge de la lente está separado por dos rendijas del diafragma. 4 . Estas rendijas pueden considerarse como dos fuentes de ondas de luz secundarias que son coherentes.

Los rayos de luz coherentes pasan a través de la lente. 6 , y la parte superior de los haces pasa a través de las cubetas. 5 (Fig. 1), y el inferior se dirige directamente a la lente. Como resultado, se produce una interferencia de dos pares de haces coherentes en el plano focal de la lente. El patrón de interferencia formado por dos rendijas es un sistema de franjas claras y oscuras. La posición de la banda oscura (condición mínima) o clara (condición máxima) está determinada por la diferencia óptica en la trayectoria de los rayos de interferencia:

- condición máxima, (1)

- condición mínima, (2)

Dónde - diferencia de camino óptico, que es igual a la diferencia en las longitudes de camino óptico, es decir
, (3)

Aquí
- indíces refractivos,
- caminos recorridos por la luz, - longitud de onda de la luz,
- orden de máximo o mínimo.

La observación se realiza a través del ocular. 7 (Figura 1).

El patrón de interferencia se muestra en la Fig. 2. Los rayos que pasan por las cubetas forman el patrón de interferencia inferior y los rayos que pasan por las cubetas forman el superior. La diferencia adicional en la trayectoria de los rayos en las cubetas provoca un desplazamiento del sistema superior con respecto al inferior. Si las cubetas se llenan con gases o líquidos con diferentes índices de refracción, aparecerá una diferencia de trayectoria adicional, determinada por la fórmula (3).

Los sistemas de tiras se pueden combinar mediante un dispositivo de compensación (fig. 3).

En este trabajo, las cubetas tienen la misma longitud ( ). Uno de ellos contiene agua destilada y el otro contiene una solución de alcohol etílico en agua. Por tanto, la diferencia adicional en la trayectoria de los rayos es:

, (4)

Dónde - longitud de la cubeta,
son los índices de refracción de la solución y del agua destilada, respectivamente.

interferómetro de Rayleigh

INTERFERÓMETRO DE RAYLEIGH (refractómetro de interferencia): un interferómetro para medir índices de refracción, basado en el fenómeno de la difracción de la luz en dos rendijas paralelas. El diagrama del interferómetro de Rayleigh se presenta en la (Fig. 10) en proyecciones verticales y horizontales.

Como fuente de luz sirve una rendija brillantemente iluminada de pequeña anchura S situada en el plano focal de la lente O 1 . Un haz paralelo de rayos que emerge de O 1 pasa a través de un diafragma D con dos rendijas paralelas y tubos R 1 y R 2 en los que se introducen los gases o líquidos en estudio. Los tubos tienen la misma longitud y ocupan sólo la mitad superior del espacio entre O 1 y la lente del telescopio O 2. Como resultado de la interferencia de la luz que se difracta en las rendijas del diafragma D, en el plano focal de la lente O 2, en lugar de la imagen de la rendija S, se forman dos sistemas de franjas de interferencia, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 10. . El sistema de franjas superior está formado por rayos que pasan por los tubos R 1 y R 2, y el inferior por rayos que pasan por ellos. Las franjas de interferencia se observan utilizando un ocular cilíndrico de enfoque corto O 3 . Dependiendo de la diferencia en los índices de refracción n 1 y n 2 de las sustancias colocadas en R 1 y R 2, el sistema superior de bandas se desplazará en una dirección u otra. Midiendo la magnitud de esta mezcla, se puede calcular n 1 - n 2. El sistema inferior de tiras es estacionario y desde él se miden los movimientos del sistema superior. Cuando la rendija S se ilumina con luz blanca, las franjas centrales de ambos patrones de interferencia son acromáticas y las franjas ubicadas a la derecha e izquierda de ellas son de color. Esto hace que sea más fácil detectar las franjas centrales. La medición del movimiento del sistema de tiras superior se realiza mediante un compensador, que introduce una diferencia de fase adicional entre los rayos que pasan por R 1 y R 2 hasta que se combinan los sistemas de tiras superior e inferior. Con un interferómetro de Rayleigh se consigue una precisión de medición muy alta hasta el séptimo e incluso el octavo decimal. El interferómetro de Rayleigh se utiliza para detectar pequeñas impurezas en el aire, el agua, para el análisis de gases de minas y hornos y para otros fines.

Interferómetro Fabry-Pérot

EL INTERFERÓMETRO FABRY-PEROT es un dispositivo espectral de interferencia multihaz con dispersión bidimensional, de alta resolución. Se utiliza como dispositivo con descomposición espacial de la radiación en espectro y fotografía. registro y como dispositivo de escaneo con registro fotoeléctrico. El interferómetro de Fabry-Perot es una capa plana paralela de material transparente ópticamente homogéneo, limitada por planos reflectantes. El interferómetro de aire Fabry-Perot más utilizado consta de dos placas de vidrio o cuarzo ubicadas a una cierta distancia d entre sí (Fig. 11). Se aplican revestimientos altamente reflectantes a los planos enfrentados (realizados con una precisión de 0,01 longitudes de onda). el interferómetro Fabry-Perot está situado entre los colimadores; Se instala un diafragma iluminado en el plano focal del colimador de entrada, que sirve como fuente de luz para el interferómetro Fabry-Perot. Una onda plana que incide en un interferómetro de Fabry-Perot como resultado de múltiples reflexiones de los espejos y una salida parcial después de cada reflexión se divide en una gran cantidad de ondas planas coherentes que difieren en amplitud y fase. La amplitud de las voluntades coherentes disminuye según la ley de la progresión geométrica, y la diferencia en el camino entre cada par adyacente de voluntades coherentes que se mueven en una dirección determinada es constante e igual.

donde n es el índice de refracción del medio entre los espejos (para aire n=1), y es el ángulo entre el haz y la normal a los espejos. Al pasar a través de la lente del colimador de salida, las ondas coherentes interfieren en su plano focal F y forman un patrón de interferencia espacial en forma de anillos de igual inclinación (Fig. 12). La distribución de intensidad (iluminación) en el patrón de interferencia se describe mediante la expresión

Yo =f k BTу/f 2 2,

donde B es el brillo de la fuente, f k es la transmitancia de las lentes del colimador. y es el área de la sección transversal del haz paralelo axial, f 2 es la distancia focal de la lente del colimador de salida, T es la función de transmisión del interferómetro Fabry-Perot.

T= T máx (1+з 2 sen 2 k?) -1

Donde T máx = , k = 2r/l

z = 2/(1- c), f, c y a son los coeficientes de transmitancia, reflexión y absorción de los espejos, respectivamente, y f + c + a = 1.

La función de transmisión T, y por tanto la distribución de intensidad, tiene un carácter oscilante con máximos de intensidad agudos (Fig. 13), cuya posición se determina a partir de la condición

donde m (entero) es el orden del espectro, l es la longitud de onda. En el medio entre máximos adyacentes, la función T tiene mínimos

Dado que la posición de los máximos de interferencia depende del ángulo u y del ángulo h igual a éste de salida de los rayos desde la segunda placa de vidrio, el patrón de interferencia tiene la forma de anillos concéntricos (Fig. 12), determinados a partir de la condición localizado en la región de la imagen geométrica del diagrama de entrada (Fig. 11) .

El radio de estos anillos es igual, lo que significa que en m = const existe una relación inequívoca entre r m y r y, por tanto, el interferómetro de Fabry-Perot produce una descomposición espacial de la radiación en un espectro. La distancia lineal entre los máximos de los anillos vecinos y el ancho de estos anillos (Fig. 13) disminuyen al aumentar el radio, es decir, al aumentar r t, los anillos de interferencia se vuelven más estrechos y densos. La anchura de los anillos?r también depende del coeficiente de reflexión c y disminuye al aumentar c.

La relación de apertura de un interferómetro Fabry-Perot real es varios cientos de veces mayor que la relación de apertura de un espectrómetro de difracción con igual resolución, lo cual es su ventaja. Dado que el interferómetro Fabry-Perot, al tener un alto poder de resolución, tiene una región de dispersión muy pequeña, cuando se trabaja con él es necesaria una monocromatización preliminar para que el ancho del espectro en estudio sea menor. Para ello se suelen utilizar instrumentos de dispersión cruzada, combinando un interferómetro Fabry-Perot con un prisma o espectrógrafo de difracción de modo que las direcciones de las dispersiones del interferómetro Fabry-Perot y del espectrógrafo sean mutuamente perpendiculares. En ocasiones, para aumentar el área de dispersión, se utiliza un sistema de dos Interferómetros Fabry-Perot colocados uno detrás del otro con diferentes distancias d, de modo que su relación d 1 / d 2 sea igual a un número entero. Luego, la región de dispersión se determina con el interferómetro Fabry-Perot "más delgado" y el poder de resolución se determina con el interferómetro "más grueso". Al instalar dos interferómetros Fabry-Perot idénticos, aumenta el poder de resolución y aumenta el contraste del patrón de interferencia.

Los interferómetros Fabry-Perot se utilizan ampliamente en las regiones ultravioleta, visible e infrarroja del espectro para estudiar la estructura fina y ultrafina de las líneas espectrales, para estudiar la estructura modal de la radiación láser, etc. El interferómetro Fabry-Perot también se utiliza como resonador en láseres.

interferómetro de Rayleigh

Circuito del interferómetro de Rayleigh

interferómetro de Rayleigh- haz doble de un solo paso interferómetro, dividiendo la luz de la fuente en dos corrientes, diferencia de fase entre los cuales se crea al pasar la luz a través de dos idénticos cubetas, lleno de diferentes gases. Primera propuesta Señor Rayleigh en 1886. Utilizado para determinar índice de refracción gases

Diagrama esquemático

La luz de la fuente pasa a través lente, creando una viga paralela y aperturas, recortando dos haces (brazos del interferómetro). Cada haz pasa a través de su propia celda con gas. A la salida del circuito hay una lente que junta ambos haces para producir franjas de interferencia en su enfocar.

Para realizar mediciones, se inserta un compensador en uno de los brazos, por ejemplo, una placa de vidrio, al girarla se puede cambiar. longitud del camino óptico viga en el hombro. Si el índice de refracción en uno de los brazos es igual a norte, entonces el segundo índice de refracción desconocido es igual a

¿Dónde está la longitud de la cubeta con gas? longitud de onda fuente de luz, - orden de interferencia (el número de franjas de interferencia que se cruzan en un punto determinado). Con los parámetros de configuración típicos (una longitud de celda de un metro, una longitud de onda de 550 nm y un orden de interferencia de 1/40) se puede medir una diferencia de índice de refracción de 10 −8. La sensibilidad del interferómetro está determinada por la longitud de la celda. Su longitud máxima suele estar determinada por las capacidades técnicas de control de temperatura, ya que la temperatura fluctuaciones distorsionará los índices de refracción de los gases.

Literatura

Max nacido, lobo, emil ( Inglés emil lobo) Principios de la Óptica: Teoría Electromagnética de la Propagación, Interferencia y Difracción de la Luz. - 7mo. - Archivo COPA, 2000. - P. 299-302. - 986 p. - ISBN 9780521784498
P. Hariharan Conceptos básicos de interferometría. - Prensa Académica, 2007. - P. 15. - 226 p. - ISBN 9780123735898

Fundación Wikimedia. 2010.

Vea qué es el “interferómetro de Rayleigh” en otros diccionarios:

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