Przykłady interferometrów. Przykłady interferometrów Wyznaczanie stężenia roztworów za pomocą interferometru Rayleigha

FEDERALNA AGENCJA EDUKACJI

PAŃSTWOWA INSTYTUCJA EDUKACYJNA WYŻSZEGO SZKOLNICTWA ZAWODOWEGO

UNIWERSYTET TECHNICZNY DON PAŃSTWA

Wydział Fizyki

Wyznaczanie stężeń roztworów za pomocą interferometru Rayleigha

Wytyczne pracy laboratoryjnej № 12

w fizyce

(Rozdział „Optyka”)

Rostów nad Donem 2011

Opracował: doktor nauk technicznych, prof. SI. Jegorowa,

Doktor, profesor nadzwyczajny W. Jegorow,

Doktor, profesor nadzwyczajny G.F. Łemeszko.

„Oznaczanie stężenia roztworów za pomocą interferometru Rayleigha”: Metoda. instrukcje. - Rostów n/a: Centrum wydawnicze DSTU, 2011. - 8 s.

Opublikowano decyzją komisji metodycznej wydziału „Nanotechnologie i Materiały Kompozytowe”

Redaktor naukowy prof., doktor nauk technicznych VS. Kunakow

Cel pracy: 1. Przestudiować zasadę działania interferometru Rayleigha.

2. Badać zjawiska interferencji za pomocą interferometru Rayleigha.

3. Określ stężenie alkoholu etylowego w wodzie.

Sprzęt: Interferometr Rayleigha, kuwety z roztworami testowymi.

Krótka teoria

Ingerencja - jest to superpozycja fal spójnych, w której następuje przestrzenna redystrybucja strumienia świetlnego, w wyniku czego w jednych miejscach pojawiają się maksima, a w innych minima natężenia światła.

Zgodny nazywa się fale o tej samej częstotliwości i stałej różnicy faz. Aby uzyskać spójne fale, konieczne jest rozszczepienie wiązki światła pochodzącej z jednego źródła.

Obraz interferencyjny można uzyskać za pomocą urządzenia ITR-1, którego podstawą jest obwód interferometru Rayleigha, w którym wzór interferencyjny uzyskuje się z dwóch spójnych wiązek światła przechodzących przez dwie równoległe szczeliny (rys. 1).

Światło ze źródła 1 (żarówka) zbiera się za pomocą kondensatora na szczelinie 2 , znajdujący się w płaszczyźnie ogniskowej soczewki kolimatora 3 . Równoległa wiązka promieni wychodzących z soczewki jest oddzielona dwiema szczelinami przysłony 4 . Szczeliny te można uznać za dwa źródła wtórnych fal świetlnych, które są spójne.

Przez soczewkę przechodzą spójne wiązki światła 6 , a górna część wiązek przechodzi przez kuwety 5 (ryc. 1), a dolny jest skierowany bezpośrednio w stronę obiektywu. W efekcie w płaszczyźnie ogniskowej soczewki dochodzi do interferencji dwóch par spójnych wiązek. Wzór interferencyjny utworzony z dwóch szczelin to układ ciemnych i jasnych pasów. Położenie ciemnego (warunek minimalny) lub jasnego (warunek maksymalny) pasma jest określone przez optyczną różnicę w drodze promieni zakłócających:

- stan maksymalny, (1)

- warunek minimalny, (2)

Gdzie - różnica dróg optycznych, która jest równa różnicy długości dróg optycznych, tj.
, (3)

Tutaj
- współczynniki załamania światła,
- ścieżki, którymi przemierza światło, - długość fali światła,
- rząd maksimum lub minimum.

Obserwację prowadzi się przez okular 7 (ryc. 1).

Wzór interferencji pokazano na ryc. 2. Promienie przechodzące przez kuwety tworzą dolny wzór interferencyjny, a promienie przechodzące przez kuwety tworzą górny. Dodatkowa różnica w drodze promieni w kuwetach powoduje przemieszczenie układu górnego względem dolnego. Jeżeli kuwety zostaną wypełnione gazami lub cieczami o różnych współczynnikach załamania światła, pojawi się dodatkowa różnica dróg, określona wzorem (3).

Za pomocą urządzenia kompensacyjnego można łączyć systemy listew (rys. 3).

W tej pracy kuwety mają tę samą długość ( ). Jeden z nich zawiera wodę destylowaną, a drugi roztwór alkoholu etylowego w wodzie. Dlatego dodatkowa różnica w drodze promieni wynosi:

, (4)

Gdzie - długość kuwety,
są współczynnikami załamania światła odpowiednio roztworu i wody destylowanej.

Interferometr Rayleigha

INTERFEROMETR RAYLeigha (refraktometr interferencyjny) - interferometr do pomiaru współczynników załamania światła, oparty na zjawisku dyfrakcji światła na dwóch równoległych szczelinach. Schemat interferometru Rayleigha przedstawiono na (Rys. 10) w rzucie pionowym i poziomym.

Jako źródło światła umieszczone w płaszczyźnie ogniskowej soczewki O 1 służy jasno oświetlona szczelina o małej szerokości S. Równoległa wiązka promieni wychodzących z O 1 przechodzi przez przesłonę D z dwiema równoległymi szczelinami i rurkami R 1 i R 2, do których wprowadzane są badane gazy lub ciecze. Tubusy mają tę samą długość i zajmują tylko górną połowę przestrzeni pomiędzy O 1 a soczewką teleskopu O 2. W wyniku interferencji światła uginającego się na szczelinach przysłony D, w płaszczyźnie ogniskowej soczewki O 2, zamiast obrazu szczeliny S powstają dwa układy prążków interferencyjnych, schematycznie pokazane na rys. 10 . Górny układ pasków tworzą promienie przechodzące przez rurki R 1 i R 2, a dolny – promienie przechodzące obok nich. Prążki interferencyjne obserwuje się za pomocą krótkoogniskowego okularu cylindrycznego O 3 . W zależności od różnicy współczynników załamania światła n 1 i n 2 substancji umieszczonych w R 1 i R 2, górny układ pasm zostanie przesunięty w tę czy inną stronę. Mierząc wielkość tego mieszania, można obliczyć n 1 - n 2. Dolny układ pasków jest nieruchomy i od niego mierzone są ruchy układu górnego. Kiedy szczelina S zostanie oświetlona światłem białym, środkowe paski obu wzorów interferencyjnych są achromatyczne, a paski znajdujące się po ich prawej i lewej stronie są kolorowe. Ułatwia to wykrycie środkowych pasków. Pomiar ruchu górnego układu pasków odbywa się za pomocą kompensatora, który wprowadza dodatkową różnicę fazową pomiędzy promieniami przechodzącymi przez R 1 i R 2, aż do połączenia górnego i dolnego układu pasków. Stosując interferometr Rayleigha, osiąga się bardzo wysoką dokładność pomiaru do 7, a nawet 8 miejsca po przecinku. Interferometr Rayleigha służy do wykrywania małych zanieczyszczeń w powietrzu, wodzie, do analizy gazów kopalnianych i piecowych oraz do innych celów.

Interferometr Fabry’ego-Pérota

INTERFEROMETR FABRY-PEROT jest wielowiązkowym urządzeniem do widma interferencyjnego z dwuwymiarową dyspersją, charakteryzującym się dużą rozdzielczością. Stosowany jako urządzenie z przestrzennym rozkładem promieniowania na widmo i fotogr. rejestracji oraz jako urządzenie skanujące z rejestracją fotoelektryczną. Interferometr Fabry'ego-Perota jest płasko-równoległą warstwą optycznie jednorodnego przezroczystego materiału, ograniczoną płaszczyznami odblaskowymi. Najszerzej stosowany powietrzny interferometr Fabry’ego-Perota składa się z dwóch płytek szklanych lub kwarcowych umieszczonych w pewnej odległości d od siebie (rys. 11.). Na zwrócone do siebie płaszczyzny nanoszone są powłoki silnie odblaskowe (wykonane z dokładnością do 0,01 długości fali). interferometr Fabry'ego-Perota znajduje się pomiędzy kolimatorami; W płaszczyźnie ogniskowej kolimatora wejściowego zainstalowana jest podświetlana przesłona, która służy jako źródło światła dla interferometru Fabry-Perot. Fala płaska padająca na interferometr Fabry'ego-Perota w wyniku wielokrotnych odbić od zwierciadeł i częściowego sygnału wyjściowego po każdym odbiciu jest rozbijana na dużą liczbę płaskich spójnych fal, które różnią się amplitudą i fazą. Amplituda spójnych woli maleje zgodnie z prawem postępu geometrycznego, a różnica w drodze pomiędzy każdą sąsiednią parą spójnych woli poruszających się w danym kierunku jest stała i równa

gdzie n jest współczynnikiem załamania ośrodka pomiędzy zwierciadłami (dla powietrza n=1) i jest kątem pomiędzy wiązką a normalną do zwierciadeł. Po przejściu przez soczewkę kolimatora wyjściowego fale spójne interferują w jego płaszczyźnie ogniskowej F i tworzą przestrzenny wzór interferencyjny w postaci pierścieni o jednakowym nachyleniu (rys. 12.). Rozkład natężenia (oświetlenia) we wzorze interferencyjnym opisuje wyrażenie

I =f k BTу/f 2 2,

gdzie B to jasność źródła, f k to przepuszczalność soczewek kolimatora. y to pole przekroju poprzecznego osiowej wiązki równoległej, f 2 to ogniskowa soczewki kolimatora wyjściowego, T to funkcja transmisji interferometru Fabry'ego-Perota.

T= T max (1+з 2 sin 2 k?) -1

Gdzie Tmax = , k = 2r/l

z = 2/(1- c), f, c i a to odpowiednio współczynniki przepuszczalności, odbicia i absorpcji zwierciadeł, a f + c + a = 1.

Funkcja transmisji T, a co za tym idzie rozkład natężenia, ma charakter oscylacyjny z ostrymi maksimami natężenia (rys. 13), których położenie wyznacza się z warunku

gdzie m (liczba całkowita) to rząd widma, l to długość fali. W środku pomiędzy sąsiednimi maksimami funkcja T ma minima

Ponieważ położenie maksimów interferencyjnych zależy od kąta u i równego mu kąta h wyjścia promieni z drugiej płytki szklanej, obraz interferencyjny ma postać koncentrycznych pierścieni (rys. 12), wyznaczanych z warunku zlokalizowane w obszarze obrazu geometrycznego diagramu wejściowego (ryc. 11).

Promień tych pierścieni jest równy, co oznacza, że przy m = const istnieje jednoznaczna zależność pomiędzy r m i r i dlatego interferometr Fabry'ego-Perota powoduje przestrzenny rozkład promieniowania na widmo. Odległość liniowa pomiędzy maksimami sąsiednich pierścieni oraz szerokość tych pierścieni (rys. 13.) zmniejszają się wraz ze wzrostem promienia, tj. wraz ze wzrostem r t pierścienie interferencyjne stają się węższe i gęstsze. Szerokość pierścieni Δr zależy również od współczynnika odbicia c i maleje wraz ze wzrostem c.

Współczynnik apertury prawdziwego interferometru Fabry-Perota jest kilkaset razy większy niż współczynnik apertury spektrometru dyfrakcyjnego o jednakowej rozdzielczości, co jest jego zaletą. Ponieważ interferometr Fabry'ego-Perota, posiadający wysoką zdolność rozdzielczą, ma bardzo mały obszar dyspersji, podczas pracy z nim konieczna jest wstępna monochromatyzacja, aby szerokość badanego widma była mniejsza. W tym celu często stosuje się przyrządy z dyspersją krzyżową, łączące interferometr Fabry'ego-Perota ze spektrografem pryzmatycznym lub dyfrakcyjnym tak, aby kierunki dyspersji interferometru Fabry'ego-Perota i spektrografu były wzajemnie prostopadłe. Czasami w celu zwiększenia obszaru dyspersji stosuje się układ dwóch interferometrów Fabry'ego-Perota umieszczonych jeden za drugim w różnych odległościach d, tak aby ich stosunek d 1 / d 2 był równy liczbie całkowitej. Następnie obszar dyspersji wyznacza się za pomocą „cieńszego” interferometru Fabry’ego-Perota, a zdolność rozdzielczą określa się za pomocą „grubszego”. Po zainstalowaniu dwóch identycznych interferometrów Fabry-Perot zwiększa się zdolność rozdzielcza i zwiększa się kontrast obrazu interferencyjnego.

Interferometry Fabry-Perota są szeroko stosowane w ultrafioletowym, widzialnym i podczerwonym zakresie widma do badania drobnej i ultradrobnej struktury linii widmowych, badania struktury modowej promieniowania laserowego itp. Interferometr Fabry-Perota jest również używany jako rezonator w laserach.

Interferometr Rayleigha

Obwód interferometru Rayleigha

Interferometr Rayleigha- jednoprzebiegowa podwójna wiązka interferometr, dzieląc światło ze źródła na dwa strumienie, różnica w fazach pomiędzy którymi powstaje przepuszczanie światła przez dwa identyczne kuwety, pełen różnych gazy. Najpierw zaproponowano Lordzie Rayleighu w 1886. Służy do określenia współczynnik załamania światła gazy

Schemat

Światło ze źródła przechodzi obiektyw, tworząc belkę równoległą i otwory, wycinając z niego dwie belki (ramiona interferometru). Każda wiązka przechodzi przez własną komórkę z gazem. Na wyjściu obwodu znajduje się soczewka, która łączy obie wiązki w celu wytworzenia prążków interferencyjnych centrum.

Do pomiarów w jedno z ramion wkłada się kompensator - np. płytkę szklaną, obracając którą można zmienić długość ścieżki optycznej belka w ramieniu. Jeżeli współczynnik załamania światła w jednym z ramion jest równy N, wówczas drugi nieznany współczynnik załamania światła jest równy

gdzie jest długość kuwety z gazem, - długość faliźródło światła, - rząd interferencji (liczba prążków interferencyjnych przecinających się w danym punkcie). Przy typowych parametrach konfiguracyjnych – długości ogniwa wynoszącej jeden metr, długości fali 550 nm i rzędzie interferencji 1/40 – można zmierzyć różnicę współczynnika załamania światła wynoszącą 10–8. Czułość interferometru zależy od długości ogniwa. Jego maksymalna długość jest zwykle określana przez możliwości techniczne kontroli temperatury, ponieważ jest termiczna wahania zniekształci współczynniki załamania gazów.

Literatura

Maks Born, Wilk, Emil ( język angielski Emil Wilk) Zasady optyki: elektromagnetyczna teoria propagacji, interferencji i dyfrakcji światła. - 7. - Archiwum CUP, 2000. - s. 299-302. - 986 s. - ISBN 9780521784498
P. Hariharana Podstawy interferometrii. - Prasa Akademicka, 2007. - s. 15. - 226 s. - ISBN 9780123735898

Fundacja Wikimedia. 2010.

Zobacz, co „interferometr Rayleigha” znajduje się w innych słownikach:

Interferometr Rayleigha- Reilėjaus interferometras statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Interferometr Rayleigha vok. Interferometr Rayleighsches, n rus. Interferometr Rayleigha, m. pranc. interferomètre de Rayleigh, m … Fizikos terminų žodynas

Urządzenie pomiarowe oparte na interferencji fal. Jestem ja. dla dźwięku. fale i elektryczne mag. fale (fale optyczne i radiowe). Optyczny I. służą do pomiaru optycznego. widmo długości fali. linie, współczynniki załamania światła w ośrodkach przezroczystych, abs.... ... Encyklopedia fizyczna

Zobacz interferometr Rayleigha . Encyklopedia fizyczna. W 5 tomach. M.: Encyklopedia radziecka. Redaktor naczelny A. M. Prochorow. 1988... Encyklopedia fizyczna

Interferometr jest urządzeniem pomiarowym, którego zasada działania opiera się na zjawisku interferencji. Zasada działania interferometru jest następująca: wiązka promieniowania elektromagnetycznego (światła, fal radiowych itp.) za pomocą... ...Wikipedii

INTERFEROMETR RAYLeigha, interferometr (patrz INTERFEROMETR) do pomiaru współczynnika załamania światła w oparciu o dyfrakcję światła na dwóch równoległych szczelinach... słownik encyklopedyczny

Interferometr dwuwiązkowy, składający się z dwóch zwierciadeł M1, M2 i dwóch równoległych półprzezroczystych płytek Ryc. 1. Schemat interferometru Rozhdestvensky'ego P1 P2 (ryc. 1); M1, P1 i M2, P2 są instalowane parami równolegle, ale M1 i M2 są pochylone... ... Encyklopedia fizyczna

Urządzenie pomiarowe wykorzystujące interferencję fal. Istnieją sygnały dla fal dźwiękowych i elektromagnetycznych: optyczne (zakresy widma ultrafioletowe, widzialne i podczerwone) oraz fale radiowe o różnej długości. I. są używane... ... Wielka encyklopedia radziecka

- (refraktometr interferencyjny) dwuwiązkowy interferometr służący do pomiaru niskich współczynników załamania gazów, zaproponowany przez Julesa Jamina w 1856 roku. Spis treści 1 Urządzenie 2 Aplikacja... Wikipedia

- (od zakłóceń i... miernika) urządzenie, w którym zjawisko zakłóceń wykorzystywane jest do precyzyjnych pomiarów. Do pomiaru współczynnika załamania światła, sprawdzania płytek wzorcowych, pomiaru wymiarów kątowych gwiazd w astronomii, wykrywania wad i... ... Wielki encyklopedyczny słownik politechniczny

Strutt, John William, 3. baron Rayleigh John William Strutt John William Strutt Data urodzenia: 12 ... Wikipedia

7. Interferometr Rayleigha

Interferometr ultradźwiękowy to urządzenie do pomiaru prędkości fazowej i współczynnika absorpcji, którego zasada działania opiera się na interferencji fal akustycznych. Typowy interferometr ultradźwiękowy (ryc....