Интерферометры

Эта группа приборов предназначена для высокоточного измерения весьма малых расстояний. Такие приборы используются для компарирования мерных приборов, создания эталонов, высокоточного и точного смещений объектов и весьма малых скоростей перемещений.

Интерферометр – это прибор, в котором производится пространственное разделение двух световых лучей и создание между ними разности хода с целью получения интерференционной картины, по которой и определяют измеряемую величину.

В 1960 г. в качестве эталона единицы длины приняли длину волны излучения оранжевой линии изотопа криптона с массовым числом 86 (86Kr), равную 6067,8021*10^-10 м. Погрешность ее воспроизведения составляет 5*10^-15 м или в относительной форме – 10^-8. В вакууме в 1 м укладывается 1650763,73 длин волн этого излучения.

Существуют различные схемы интерферометров (рис. 6.6).

В интерферометре Майкельсона (рис. 6.6 а) пучок лучей от источника излучения (лазера) делится полупрозрачной пластиной А на два одинаковых (1 и 2), которые под прямыми углами падают на зеркала З1 и З2, отражаются от них в обратном направлении и после прохождения через пластину А (пластина В используется для компенсации разности хода лучей 1 и 2) попадают на экран. Если между пучками лучей 1 и 2 существует разность хода, то они интерферируют между собой, образуя на экране Э систему колец или полос. Перемещение полос интерференционной картины вызывается смещением одного из зеркал. При смещении зеркала на половину длины волны интерференционная картина сдвигается на одну полосу. Зная длину волны излучения и число переместившихся полос, можно определить общее смещение зеркала.

Рис. 6.6. Схемы интерферометров.

Предположим, что в качестве источника излучения используется He-Ne лазер с длиной волны 0,6328 мкм. Считаем, что точность регистрации смещения полосы равна 0,1 от расстояния между полосами. Смещение на половину длины волны, т.е. на 0,3164 мкм (0,0003164 мм) вызовет смещение на 1 полосу с точностью регистрации 0,03164 мкм = 0,00003164 мм. Пусть такое перемещение совершается за 1 с, тогда за 1 час общее смещение составит примерно 0,114 мм, за сутки – 2,7 мм. Следует отметить, что такая скорость перемещения зарегистрируется прибором весьма быстро. Т.е. оперативно можно получить информацию о состоянии объекта. Обычными методами такую информацию получить проблематично.

Интерферометр Фабри-Перо (рис. 6.6 б) содержит непрозрачное (З3) и полупрозрачное (ППЗ) зеркала. Интерференционная картина в нем создается за счет многократных переотражений входящего светового пучка. В качестве источника излучения используется He-Ne лазер.

В лазерном интерферометре (рис. 6.6 в) одно из отражающих зеркал располагается на точке или подвижном объекте вне прибора и представляет собой трипельпризму ТП (для возвращения светового пучка) в комплекте с отражающим зеркалом З5, жестко закрепленном в приборе. Световой поток от источника Л формируется телескопической оптической системой ЗТ и расщепляется элементом А на два. Первая часть излучения зеркалом З4 направляется на фотоприемное ФП и регистрирующее РП устройства по небольшому оптическому пути, а вторая часть проходит двойной путь — от прибора И до трипельпризмы ТП и обратно.

Скорость перемещения трипельпризмы ограничена инерционностью фотоприемников и составляет примерно 20 м/мин. Точность измерений весьма сильно зависит от показателя преломления воздуха. Показатель преломления требуется измерять с точностью до 10^-7. Для повышения точности используют термостатированные помещения, вакуумные световоды.

С вауумным световодом изготовлен интерферометр для измерения медленных смещений земной коры, регистрации сейсмических волн, изучения осадок и деформаций фундаментов уникальных сооружений. Основной отличительной особенностью этого прибора является наличие световода, который представляет собой секцию стальных труб диаметром 60 см и длиной 3,5 м каждая. Секции соединены между собой через вакуумный уплотнитель, а внутри них создан вакуум порядка 1 Па. Вакуумный световод располагается на пути распространения световых лучей между прибором и трипельпризмой при использовании, например, схемы рис. 6.6 в. В этом случае значительное ослабление влияния атмосферы позволяет увеличить точность измерений.

В табл. 6.2 приведены характеристики некоторых интерферометров.