а) предмет виден нераздвоенным
б) предмет раздваивается вдвое сильнее
Случаи а) и б) переводятся один в другой поворотом одного из узлов на 1800. Правильной ориентации отвечает второй случай.
В таком положении светоделительные узлы устанавливаются в прибор.
3. После того, как светоделительные узлы выставлены и ориентированы относительно друг друга, приступить к окончательной юстировке интерферометра.
Определить правильное начальное положение светоделительных узлов по отношению к фокальным плоскостям коллиматорного и приемного объективов. (Начальным положениям обоих узлов будем называть такое, при котором в поле интерференции видна бесконечно широкая полоса).
Для этого в фокальной плоскости коллиматора установить щель. Между щелью и источником света поместить поляроид. Установить в прибор приемный светоделительный узел так, чтобы направление двоения его было перпендикулярно щели. Поляроид, стоящий перед щелью, повернуть так, чтобы два изображения рабочего поля казались одинаково яркими. Сузить щель до ширины не более 0.1 мм. Поворотами светоделительного узла добиться появления интерференционной картины. Подвижкой узла вдоль оптической оси установить его так, чтобы в плоскости наблюдения образовалась бесконечно широкая полоса. Затем сместить светоделительный узел перпендикулярно оптической оси в направлении сдвига до получения картины с насыщенной окраской, т.е. полосы приблизительно нулевого порядка.
4. Снять узел щели и установить в прибор, светоделительный узел осветительной части, ориентируя его по отношению к светоделительному узлу приемной части так, как сказано в пункте 2. Слегка разворачивая светоделительный узел осветительной части вокруг оптической оси, добиться появления интерференционной картины. Затем подвижкой этого же узла вновь установить в плоскости наблюдения бесконечно широкую полосу.
5. Светоделительный узел приемной части повернуть так, чтобы сдвиг имел требуемое направление (например, по оси модели или перпендикулярно ей). При этом наблюдать раздвоенное изображение модели либо должным образом ориентированного перекрестия.
6. Светоделительный узел осветительной части повернуть вновь, добиваясь появления интерференционной картины (бесконечно широкой полосы). Поперечной подвижкой приемного осветительного узла получить полосу нулевого порядка.
7. Выполнить заключительные операции - настройку прибора. Ввести светофильтр для монохроматизации излучения и настройте прибор на полосы необходимой ширины и требуемого знака клина интерференции. Это обеспечивается подвижкой светоделительных узлов от начального положения вдоль оптической оси. Их перемещают на одинаковые отрезки навстречу друг другу либо наоборот. Величиной подвижки задается ширина полос, направлением - знак клина интерференции.
8. Фокусировать фотоприставку на выбранную плоскость исследуемого объекта, рассматривать интерференционные полосы на изображении этой плоскости. Если контраст полос неудовлетворителен, то следует повысить его. Для этого светоделительные узлы переместить по оптической оси на равные отрезки в одном направлении и найти для них положение, обеспечивающее наибольший контраст.
9. Убрать светофильтр, и поперечной подвижкой приемного светоделительного узла привести нулевую полосу в требуемое положение.
Юстировка поляризационного интерферометра
Юстировка поляризационного интерферометра чрезвычайно проста и не требует специальных приборов и приспособлений. Ограничимся лишь краткими замечаниями. Юстировка интерферометра должна привести к тому, чтобы в данных условиях интерферограмма имела самые насыщенные цвета (с немонохроматическим источником) или максимальный контраст и самую высокую яркость. Для этого одна призма по отношению к другой должна быть ориентирована таким образом, чтобы происходила компенсация разности хода. Плоскость поляризации поляроидов должна составлять угол 45° с главными сечениями призм. При этом достаточно выставить призмы перпендикулярно к световому пучку простыми механическими средствами. Высокое качество юстировки обеспечивает методика, в которой основным является получение равенства освещенностей двух изображений какого-нибудь предмета, находящегося в рабочем поле интерферометра ("правило равных освещенностей"). По этой методике юстировка компенсационного интерферометра проводится в следующей последовательности:
а) Вторая (по ходу света) призма и первый поляризатор устанавливаются на свои места и, наблюдая удвоение изображения какого-нибудь предмета на пути света, выбирают нужное направление сдвига световых пучков. Затем поворотом поляризатора добиваются равенства освещенностей двух изображений. Это положение и будет соответствовать тому, что плоскость поляризации падающего света составляет 45° с оптическими осями призмы.
б) Ставят на место анализатор и снова получают равенство освещенностей двух изображений. Это, очевидно, произойдет тогда, когда поляроиды будут параллельны или скрещены.
в) Помещают на место первую призму. При вращении этой призмы равенство освещенностей получается в четырех различных положениях. Но компенсация разности хода может происходить только в одном из этих положений. Небольшими и медленными поворотами одной из призм в вертикальной плоскости вблизи положения равенства освещенностей находят интерференционную картину.
Как было показано выше, компенсация разности хода происходит независимо от того, какими поверхностями призмы обращены друг к другу, что на практике очень облегчает юстировку компенсационного интерферометра.
При сравнительно больших угловых сдвигах необходимо соблюдать еще такое условие. Когда юстировку интерферометра проводят с источником белого света, с самого начала призмы должны быть выставлены так, чтобы изображение источника света приходилось на их центральную часть. Только в этом случае начальная разность хода будет мало отличаться от нуля и можно сразу получить интерференционную картину. При настройке на один цвет для уменьшения влияния хроматизма и недостатков изготовления призмы их следует располагать как можно ближе к фокусам светового пучка. После получения интерференционной картины перемещениями призмы вдоль оси светового пучка интерферометр можно настроить на бесконечную полосу или на полосы.
При малых угловых сдвигах нет смысла говорить о месте локализации интерференционных полос: полосы четкие в любой плоскости области переналожения двух пучков. При больших сдвигах полосы локализованы в плоскости, проходящей через мнимые точки пересечения интерферирующих лучей в пространстве предметов. Плоскость локализации полос можно совместить с плоскостью исследуемого объекта изменением соотношения между смещениями z1 и z2.
Несколько слов об элементах конструкции поляризационного интерферометра сдвига по схеме компенсации. Когда интерферометр собирается в лабораторных условиях, то с целью упрощения его конструкции можно снабдить регулировочными винтами только вторую (по ходу луча) призму. При этом регулировочные винты должны обеспечивать смещение призмы перпендикулярно к оси светового пучка с точностью в несколько угловых минут. Для получения достаточно узких полос расфокусировка призмы должна достигать примерно 0.1 фокусного расстояния главных объектов.
5. АВТОКОмПЕНСАЦИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР сДВИГА
В автокомпенсационных интерферометрах свет пересекает исследуемый объект два и более раз. Такие интерферометры лучше приспособлены для исследования слабых оптических неоднородностей.
I. Интерферометр со сферическим зеркалом
Принципы действия автокомпенсационного интерферометра рассмотрим на примере установки со сферическим зеркалом М в качестве главного объектива (рис. 5.1). Призма Волластона W установлена вблизи центра кривизны сферического зеркала.
Световой пучок, идущий от источника S поляризован под углом 45° к оптическим осям и призмы. K – конденсор, D – призма полного внутреннего отражения, P1 и P2 – поляроиды. О – проектирующий объектив, Э – экран.
Вычислим начальную разность хода. Рассмотрим общий случай, когда центр кривизны зеркала не расположен в призме ("призма не в центре"). Пусть N – есть точка, в которой ось О пересекает призму. L – длина отрезка СN. Падающий луч в точке A разделяется на два луча 1 и 2. Лучи 1 и 2, образующие между собой угол, падают на зеркало в точках L1 и L2. Затем лучи направляются снова к призме и их мнимые продолжения сходятся в точке A` – изображение точки А по отношению к зеркалу M. На рис. 5.1 L – отрицательная величина. Лучи 1 и 2 пересекают призму второй раз соответственно в точках u1 и u2 и каждый из них отклоняется еще раз на угол q/2. Лучи выходят из призмы слегка расходящимися. В приближении Гаусса можно показать, что мнимые продолжения лучей сходятся на зеркале, в точке L середины L1L2. Лучи 1 и 2 проходят через фокусирующий объектив и сходятся на экране в точке L`, сопряженной с L по отношению к объективу О.
Начальная разность хода D между лучами 1 и 2 после их второго пересечения призмы равна сумме разности db оптических длин в воздухе от точки A до точки L` и разности dn оптических длин в призме. Согласно свойству идеальной оптической системы db=0. Поэтому для получения D достаточно вычислить dn. Пусть u и T есть точки, в которых соответственно прямая LA` и радиус LC пересекает призму. От вершины зеркала направим ось OX перпендикулярно к средней плоскости П призмы. Пусть x– абсцисса плоскости П, x – абсцисса точки L; x(A), x(u) и x(T)= -xx/R - абсциссы точек А, u и T. В соответствии с формулой для разности оптических путей D,
D= q(x-x), (5.1)
Имеем
dm = q[x(A)-x]+ q[x(u)-x].
В приближении Гаусса точка Т находится в середине отрезка Au, следовательно
D = q[x(A)+x(u)-2x] = -2q[x-x(T)] = -2q(x+zx/R). (5.2)
Этот результат не зависит от направления оси Ox. Разность хода в точке L` или в точке L не зависит от положения точки А в призме, т. е. положения светящейся точки источника. С широким источником света имеем, следовательно, полосы, локализованные на зеркале. Так как D зависит лишь от x, то полосы прямолинейны и перпендикулярны Ox.
Когда призма находится не в центре z¹0, то интерферометр настроен на полосы конечной ширины. Когда z=0, разность хода D постоянна по всему полю наблюдения. С немонохроматическим источником за анализатором наблюдается однородный свет. Цвет зависит от положения средней плоскости призмы. Следовательно, когда "призма в центре", интерферометр настроен на бесконечную полосу.
Исследуемый объект помещается перед зеркалом как можно ближе к нему. Основным недостатком интерферометра со сферическим зеркалом является то, что исследуемый объект находится в непараллельном световом пучке. Несовпадение светового пучка с самим собой при падении его на зеркало и после отражения от него может быть устранено использованием полупрозрачного зеркала за счет значительного (примерно в 4 раза) уменьшения освещенности.
Пусть сферическое зеркало интерферометра имеет R=400 см, а расстояние между фокусами светового пучка - 2 см. Если расстояние между зеркалом и объектом составляет 10 см, то расхождение точек встречи луча с объектом составляет 0,05 см. Во многих случаях такое смещение, если его направить в сторону наименьшего изменения толщины неоднородности, не вносит заметной ошибки. В этих условиях ошибка в основном будет вызываться отклонением луча в неоднородности.
Используя линзу и плоское зеркало или вогнутое и плоское зеркало, можно получить такой автокомпенсационный интерферометр, в котором исследуемый объект будет находиться в параллельном пучке. Интерферометр, схема которого приведена на рисунке 1, можно преобразовать так, что световой пучок будет проходить через исследуемый объект 4 раза и, тем самым, чувствительность интерферометра будет повышена еще в два раза.
II. Юстировка и настройка поляризационных интерферометров
Юстировка автокомпенсационных интерферометров осуществляется согласно "правилу равных освещенностей" (см. лабораторную работу №4 "Поляризационный интерферометр сдвига на базе теневого прибора Теплера ИАБ-458" данного описания).
6. Изучение работы и снятие характеристик газового лазера
Лабораторная работа знакомит студентов со свойствами излучения оптического квантового генератора работающего на смеси газов Не-Ne, применяемого в качестве источника света в оптических установках.
Такой источник световой энергии состоит из активной среды, обеспечивающей усиление оптического сигнала, и резонатора. Последний создает положительную обратную связь, необходимую для генерации. Свойства излучения лазера - монохроматичность, направленность, когерентность - обусловливаются свойствами как активной среды, так и резонатора. Характеристики отдельно взятых резонатора или активной среды существенно отличаются от соответствующих характеристик лазера.
1. для того чтобы уяснить себе, как работает газовый лазер, сначала рассмотрим упрощенную атомную систему, в которой возможны лишь два состояния: невозбужденный (основной) уровень, обозначим его 1 (см. рис. 6.1) и возбужденный уровень 2.
При температуре 0oК все атомы такой системы находятся на первом уровне, а при повышении температуры начинает заселяться и уровень 2, и чем больше температура, тем больше атомов перейдет с уровня 1 на уровень 2. Обозначим N1 - число атомов в единице объема на уровне 1, N2 - число атомов в единице объема на уровне 2. В случае термодинамического равновесия с окружающей средой при температуре ToK распределение атомов по состояниям подчиняется закону Больцмана:
, (6.1)
где hn=E2 - E1,
g1, g2 - кратности вырождения уровней 1 и 2 соответственно.
Естественно, что часть атомов с уровня 2 будет спонтанно переходить на уровень 1 и, если переход 2®1 излучательный, то появится спонтанное излучение. Если на уровне 2 находится N2 атомов, то полное число переходов в секунду с уровня 2 на уровень 1 будет N2A21, где A21 - вероятность перехода с уровня 2 на уровень 1.
Заметим, что это излучение некогерентно: фазы электромагнитных колебаний, излученных разными атомами, не связаны между собой.
2. Теперь представим себе, что на нашу атомную систему падает извне излучение с плотностью rv и частотой, удовлетворяющей соотношению
hn = E2 - E1.
В этом случае, кроме спонтанных переходов, появляются, еще и вынужденные (индуцированные) переходы с уровня 2 на уровень 1 и полная вероятность того, что атомная система перейдет с уровня 2 на уровень 1 (за единицу времени), будет
r21 = A21 + rvB21, (6.2)
где B21 - вероятность индуцированного перехода.
Заметим, что вынужденное излучение уже не является хаотическим, его фаза будет совпадать с фазой внешнего излучения. Совпадают также и остальные характеристики: волновые векторы, поляризации и частоты.
Попадающее в вещество внешнее излучение вызывает также и переходы с уровня 1 на уровень 2 с вероятностью r12 = rvB12. Между величинами А и В (их называют коэффициентами Эйнштейна) существует связь
g1B12 = g2B21,
(6.3)
Внешнее излучение, попадая в вещество, будет поглощаться, и нарушать термодинамическое равновесие атомной системы. Рассмотрим взаимодействие такого ансамбля атомов с излучением на частоте n. Число переходов в секунду с уровня 2 на уровень 1 будет (A21+ rvB21)N2, а число переходов с уровня 1 на уровень 2 rvB12N1.
Потери падающего пучка электромагнитного излучения будут составлять: (N1- N2)rvB12 (6.4) квантов в секунду, и при N1- N2<0 излучение при прохождении через вещество будет ослабляться. Испущенные A21N2 квантов в секунду дадут рассеянное (по направлению) излучение и поэтому в формуле (6.4) не фигурируют. Интенсивность излучения будет убывать внутри вещества по закону:
, (6.5)
где JO - интенсивность на входе в вещество,
Kn - коэффициент поглощения на частоте n.
В газовом разряде возбуждается линейчатый спектр, и поглощение происходит лишь в пределах ширины спектральных линий. Контур их чаще всего определяется доплеровским уширением.
Типичная зависимость Kn от частоты показана на рис. 6.2. существует связь между площадью под кривой Kn(n) и разностью населенностей уровней [см. 4]:
, (6.6)
где - интегральное (по частотам) поперечное сечение поглощения одного атома.
Таким образом видно, что интегральный коэффициент поглощения атомной системы будет положительным при N2<N1, что обычно имеет место, так как населенность верхних уровней атомной системы (если не принимать специальных мер), всегда меньше населенности основного уровня.
Представим себе, что нашли способ сделать так, что населенность верхнего уровня стала больше населенности нижнего уровня. В этом случае коэффициент поглощения будет отрицательным и атомная система с инверсной населенностью будет усиливать падающее в нее излучение по закону
, где a=-Кn >0.
Если замкнуть такой усилитель цепью обратной связи, то можно получить оптический генератор.
3. Рассмотрим теперь, каким образом создается инверсия населенности в газовом Не-Ne лазере. Конструктивно Не-Nе лазер представляет собой стеклянную трубку, наполненную смесью гелия и неона и помещенную в оптический резонатор. С помощью высоковольтного источника питания в трубке создается разряд постоянного тока и этим возбуждаются атомы обоих газов.
Состояния Не, соответствующие уровням 21SO и 23S1 (см. рис. 6.3), являются метастабильными - переходы с этих уровней в основное, невозбужденное состояние запрещены в дипольном приближении, а других уровней, лежащих между основным состоянием и 21SO и 23S1 нет.
Практически это выражается в том, что время жизни этих уровней в 104-105 раз больше времени жизни других уровней, с которых имеются разрешенные дипольные переходы. Поэтому в результате переходов с верхних уровней атомы скапливаются в этих состояниях.
В энергетическом спектре Ne состояния 2S (символика Пашена) и 3S (точнее, четыре состояния каждого типа) случайно оказались совпадающими с метастабильными уровнями Не. Благодаря этому в возбужденной смеси Не и Ne происходит обмен энергией, носящий резонансный характер, между возбужденным Не в состояниях 21SO и 23S1 и невозбужденными атомами Ne. В результате неупругих столкновений с Ne метастабильные состояния Не разрушаются, а Ne возбуждаются в 3S и 2P состояния:
He*(21SO)+Ne ® He.
Разряд возбуждает практически все уровни Ne, заселяя их приблизительно в соответствии с больцмановским законом. В результате резонансного взаимодействия Не с Ne происходит дополнительное избирательное дозаселение уровней 3S и 2S Ne. Процесс оказался достаточно эффективным, чтобы обеспечить инверсию на некоторых переходах, начинающихся с 2S и 3S.
С уровней типа 3S существуют разрешенные переходы на уровни типа 3P и 2P (всего около 60 переходов), а с уровней типа 2s на 2Р (около 30 переходов), наиболее сильная генерация наблюдается на следующих переходах:
3S2 ® 2P4;
3S2 ® 3P4;
2S2 ® 2P4.
4. Конструкция лазера, используемого в данной лабораторной работе, представляет собой разрядную трубку, заполненную смесью газов Не и Ne, и помещенную в оптический резонатор. Излучение из трубки выходит через два окна из оптического стекла, расположенных под углом Брюстера к оси трубки. Такой наклон окон позволяет свести к нулю отражение на границе стекло - (Не и Ne) и стекло - воздух для определенной поляризации световой волны. Этим заметно уменьшаются потери в резонаторе, так как при окнах расположенных перпендикулярно оси резонатора, френелевское отражение на границе стекло - воздух составляет около 4%.
Страницы: 1, 2, 3, 4
