Применение интерференции

На основе явления интерференции работают высокоточные (прецизионные) измерительные устройства, используемые в самых различных областях науки и техники. Интерференционные методы пригодны для измерения практически любых величин, влияющих прямо или косвенно на оптическую длину пути, которая зависит от расстояния, проходимого волной, и показателя преломления среды. Современные измерительные устройства позволяют регистрировать оптическую разность хода с точностью до сотых долей длины волны. С аналогичной точностью можно измерять линейные размеры исследуемых объектов. Показатель преломления среды, в которой распространяется одна из интерферирующих волн, зависит от целого ряда других физических величин (температуры, механических напряжений и т. д.), что существенно расширяет область применения интерференционных методов.

Для измерений интерференционным методом каких-либо характеристик исследуемого объекта используют специальные устройства, называемые интерферометрами. На рисунке 52.1 изображена схема интерферометра Майкельсона. Плоская волна делится по амплитуде полупрозрачной плоскопараллельной пластинкой 1 на две волны, распространяющиеся перпендикулярно друг другу. Отразившись от плоских зеркал 2 и 3, эти волны вновь соединяются на пластине 1 и направляются на экран Э. Части схемы, расположенные между пластиной 1 и зеркалами 2, 3, образуют так называемые плечи интерферометра. Регистрируя смещение интерференционных полос на экране, можно измерять оптическую разность хода волн в плечах интерферометра. Интерферометр Майкельсона был использован в известном опыте Майкельсона–Морли, который показал постоянство скорости света и явился одной из предпосылок создания Эйнштейном специальной теории относительности.

Явление интерференции используется в фазовых волоконно-оптических датчиках, позволяющих измерять различные физические величины (температуру, деформацию, силу тока, напряженность магнитного поля, ускорение, скорость и другие). На рисунке 52.2 приведена схема волоконно-оптического датчика на основе интерферометра Майкельсона. Излучение источника света 1 вводится в световод и разделяется направленным ответвителем 2 на две волны, которые распространяются по двум отрезкам волоконно-оптического кабеля К, образующим плечи интерферометра. После отражения от зеркал 3 эти волны направляются ответвителем на фотоприемник 4, который регистрирует смещение интерференционных полос. Одна из катушек является измерительной, вторая – компенсационной. В измерительной катушке оптическая длина пути изменяется в результате внешнего воздействия. Волоконно-оптические датчики позволяют измерять силу тока с точностью ~10 мкА, напряженность магнитного поля до , скорость течения жидкости в диапазоне , угловые скорости с точностью до 0,02 град/ч.

Интерференция широко используется для бесконтактного контроля геометрических размеров и формы деталей. Если в установке для наблюдения колец Ньютона (рис. 45.2) поверхность линзы идеально сферическая, то кольца имеют форму окружностей. При наличии на контролируемой поверхности местных ошибок (бугров или ям) кольца будут искривляться. Анализируя интерференционную картину можно определять форму поверхности с точностью до сотых долей длины волны. Ошибки формы поверхностей оптических элементов очень сильно влияют на качество оптической системы, поэтому интерференционный контроль оптических деталей является основным методом контроля высококачественной оптики.

В § 47 было показано, что тонкая диэлектрическая пленка (плоскопараллельная пластинка) обладает селективным (т. е. избирательным) отражением. Этот эффект может быть многократно усилен за счет многолучевой интерференции, если использовать не одну пленку, а несколько слоев диэлектрика, нанесенных на подложку, как показано на рисунке 52.3. Когда оптическая толщина слоев кратна , т. е. , то отраженные на каждой из границ раздела двух диэлектриков волны в результате интерференции усиливают друг друга. Многослойные диэлектрические покрытия обеспечивают для заданной длины волны коэффициент отражения более 99 %. На основе явления интерференции работают просветляющие покрытия, интерференционные фильтры и другие оптические элементы и устройства с уникальными свойствами.