Краткое описание принципа действия и устройства

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ЛОК-3. ИНТЕРФЕРОМЕТР МАЙКЕЛЬСОНА

Интерферометр Майкельсона (ЛОК-3).

Краткое описание принципа действия и устройства

 

Лабораторный оптический комплекс ЛОК-3 “Интерферо-метр Майкельсона” предназначен для постановки лабораторных работ по волновой оптике в физическом практикуме. Его возможности позволяют изучать классическую интерференционную схему Майкельсона и ее применение к измерению оптических и механических характеристик физических объектов. В частности, с помощью комплекса можно решать следующие экспериментальные задачи:

1. Измерение длины волны лазерного излучения.

2. Измерение малых деформаций и определение модуля Юнга материала образца.

3. Измерение коэффициентов теплового расширения металлов.

4. Определение показателя преломления прозрачных материалов.

5. Измерение показателя преломления воздуха или другого газа и определение его зависимости от давления.

6. Изучение зависимости показателя преломления жидкости и газа от температуры.

Рис. 1

			Рис.2

Внешний вид интерферометра Майкельсона представлен на рис. 1, схема его устройства – на рис. 2 (рис.2а – вид спереди, рис. 2б – вид сверху). Интерферометр собран на опорной плите 1, на ней же установлен стационарный гелий – неоновый лазер 2. Все функциональные элементы смонтированы на опорной плите 1. Номера с 1 по 17 нанесены на соответствующие элементы прибора. Излучение лазера выводится на переднюю сторону плиты с помощью двух зеркал 3, установленных на стойках (на кронштейнах) и направляется на пластинку 4 а.

Классическая схема интерферометра Майкельсона в данной установке реализуется следующим образом. Плоскопараллельная пластинка 4 а, посеребренная с одной стороны, играет роль делительной пластинки: она расщепляет свет на два луча – поступающие в горизонтальное и вертикальное плечи интерферометра. Расстояние между пластинкой 4 а и зеркалом 5 – вертикальное плечо. Расстояние между пластинкой 4а и зеркалом 6 – горизонтальное плечо интерферометра. Верхнее зеркало 5 установлено на подпружиненном штоке с возможностью перемещения по вертикали. Ориентация и начальное положение зеркала 5 регулируется винтами держателя. Правое зеркало может менять только ориентацию. Его перемещение не предусмотрено. После отражения от зеркал 5 и 6 лучи света сводятся вместе полупрозрачной пластинкой 4 а.

Под пластинкой 4 а установлена расширительная линза 7 и проекционный экран 14, на котором сходящиеся лучи создают интерференционную картину. В качестве проекционного экрана может быть использована поверхность стола или лист бумаги с нанесенной на нем стрелкой-меткой.

В горизонтальном плече интерферометра перед пластинкой 4 а расположен поляризатор в оправе 4 б. Плоскость колебаний пропускаемого поляризатором излучения параллельна рукоятке держателя поляризатора, нормальное положение которой вертикальное. Поворотом рукоятки держателя корректируется степень поляризации излучения.

Между делительной пластинкой 4 а и зеркалом 6 расположен поворотный столик 8 с кассетой. Столик имеет круговую шкалу с ценой деления 1°. В кассету столика вставляются экраны с исследуемыми оптическими элементами или объектами, например, стеклянная пластинка, призма, клин, кюветы с изучаемыми жидкостями или газами и т.п.

К опорной плите прикреплена кювета 13, давление воздуха в которой можно менять с помощью пневмосистемы (до 0,6 кГс/см²). Схема пневмосистемы приведена на рис. 3.

Рис.3

 

С помощью сильфона 9 через кран 6 в систему подают воздух. Давление в пневмосистеме измеряется манометром 11. Воздух поступает в кювету 13 через кран К2, а выпускается из нее через кран К1. Через кран К4 воздух подается в пневмопривод 12, а через кран К3 выпускается из него. Кран К5 в данном варианте установки не используется. Пневмопривод 12 состоит из корпуса К, гибкой мембраны М, пластины П и нажимного устройства Н. При создании внутри пневмопривода давления Р пластина через нажимное устройство воздействует на исследуемые объекты, например, на металлическую пластинку, лежащую на упорах пневмопривода, с силой F = PS, где S – эффективная площадь пластины нажимного устройства, S = 18 см². Расстояние между упорами пневмопривода 6 см.

Оптическая разность хода интерферирующих волн определяется удвоенной разностью длин плеч. Изменение длины любого плеча на величину l/2 приводит к изменению оптической разности хода на l, что вызывает смещение интерференционной картины на экране на одну полосу. Таким образом, интерферометр - чувствительный прибор для измерения очень малых перемещений. С помощью него можно с высокой степенью точности измерить многие физические величины: модуль Юнга, показатели преломления минералов, газов, коэффициенты теплового расширения металлов и т.д.

Для измерения малых деформаций и определения модуля Юнга создают давление в пневмоприводе 12 (рис. 2), при этом усилие пневмопривода через нажимной упор воздействует на образец 15. Верхний конец штока зеркала 5 упирается в исследуемый образец 15, установленный в пазах пневмопривода 12. Образец деформируется, изгибается, вызывая смещение зеркала 5, что приводит к смещению интерференционной картины. По числу сместившихся полос определяют прогиб образца и вычисляют модуль Юнга.

Для измерения показателя преломления прозрачной пластины толщиной b ее устанавливают на экране вращающегося столика 8, и поворачивая столик на угол a, подсчитывают число сместившихся полос. Затем по известным значениям l и b определяют показатель преломления n.

Для измерения показателя преломления воздуха в кювете 13 создают с помощью пневмосистемы избыточное давление. Это приводит к изменению плотности воздуха, к изменению его показателя преломления, следовательно, – к возникновению дополнительной оптической разности хода и к смещению интерференционных полос. Зная величину избыточного давления, число сместившихся полос, по соответствующей формуле определяют показатель преломления воздуха.

Для измерения показателя преломления других газов медленно замещают воздух в кювете 13 исследуемым газом и измеряют соответствующее число сместившихся интерференционных полос.

Показатель преломления пластинки из непрозрачного материала определяют по углу Брюстера: находят положение пластины, при котором отраженный от нее луч (на рис. 2 показан пунктиром) имеет минимальную интенсивность.

Для определения длины волны излучения можно воспользоваться пластиной с известным модулем Юнга или с известным показателем преломления.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: