ИНТЕРФЕРОМЕТР МАЙКЕЛЬСОНА С ПОДВИЖНЫМ ОТРАЖАТЕЛЕМ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01B9/02 G01B11/26 

Изобретение относится к оптике, в частности к интерферометрам, и может быть использовано в физических исследованиях для определения степени влияния скорости источника света на направление распространения пучка света от источника.

Известен интерферометр Майкельсона для исследования изменения скорости света относительно движущегося тела (Земли) за счет возможного изменения оптической разности хода лучей и наличия угла аберрации, содержащий источник монохромного света, зрительную трубу, полупрозрачное зеркало, прозрачную стеклянную пластину, четыре группы зеркал, каждая из которых содержит четыре сплошных зеркала, и камень вращения, причем источник монохромного света, зрительная труба, полупрозрачное зеркало, прозрачная стеклянная пластина и четыре группы зеркал установлены неподвижно относительно друг друга на камне вращения (1).

Недостатком этого устройства является невозможность измерения угла аберрации отраженного от полупрозрачного зеркала луча света при повороте камня на заданный угол, хотя существование стабильной интерференционной картины при плавном повороте камня подтверждает наличие угла аберрации и влияние движения Земли на путь луча, перпендикулярного этому движению. Для наблюдателя, находящегося в покое в системе отсчета, неподвижной относительно Солнца ("покоящийся эфир"), наличие угла аберрации является условием того, что оба луча интерферометра совпадут в зрительной трубе и будут интерферировать ([1] рис. 104, стр.516). Однако известными техническими средствами интерферометра Майкельсона наблюдение и измерение угла аберрации невозможно. Как об очевидном факте говорится об изменении угла отражения луча света от подвижного отражателя (девиации угла отражения света от подвижного отражателя) на величину угла аберрации в (1), где авторы А.Майкельсон и Э.Морли утверждают: "При выводе формулы для измеряемой величины тогда было упущено из виду влияние движения Земли через эфир на путь луча, перпендикулярного этому движению". Обсуждение этого упущения и всего эксперимента составляет предмет очень глубокого анализа Г.А.Лоренца, который выяснил, что "данным эффектом ни в коем случае нельзя пренебрегать". В научно-технической и патентной литературе отсутствуют сведения, ставящие этот эффект под сомнение. Невозможность наблюдения угла аберрации обусловлена тем, что все технические средства интерферометра, включая источник монохромного света и камень вращения, находятся в состоянии покоя относительно друг друга. Во-вторых, нельзя получить более высокие угловые скорости вращения интерферометра, установленного на массивном камне вращения, для наблюдения за соответствующим изменением интерференционной картины относительно оптической оси зрительной трубы, так как с целью подавления вибраций камень погружен в ртуть и имеет угловую скорость вращения 1 оборот за 6 мин ((1), стр.520). Указанные выше недостатки препятствуют получению требуемого технического результата, выражающегося в изменении наблюдаемой интерференционной картины, так как смешение интерференционных полос при испытании интерферометра Майкельсона отсутствует.

Известно сканирующее устройство для получения оптической разности хода в двухлучевом интерферометре, содержащее платформу, кинематически связанную с вращающимся валом, с установленными на ней отражателями, выполненными в виде двухгранных зеркал и установленными на платформе таким образом, что ребра двухгранных зеркал расположены равномерно по окружности, центр которой совпадает с осью вращения платформы, и перпендикулярны поверхности платформы, биссектрисы двухгранных углов образуют с радиусами окружности, проведенными в точки пересечения окружности с ребрами двухгранных углов, прямые углы и направлены в одну сторону вдоль линии, образующей окружность (2).

Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает технически возможность наблюдения девиации угла отражения света от подвижного отражателя при изменении скорости вращения платформы. Это обусловлено главным образом тем обстоятельством, что при изменении угловой скорости вращения платформы происходит изменение длины оптического пути светового пучка, отраженного светоделителем и падающего на отражающую внутреннюю поверхность подвижного диэдра, что вызывает изменение оптической разности хода в двухлучевом интерферометре и делает невозможным выделение и наблюдение значительно меньших по величине смешений интерференционных полос в двухлучевом интерферометре, вызванных, например, незначительным изменением оптической разности хода лучей при девиации угла отражения светового пучка от отражающей поверхности подвижного диэдра.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является интерферометр для измерения углов поворота объекта вокруг оси, содержащий источник излучения, предназначенный для скрепления с объектом отражатель, светоделитель, установленный на пути пучка излучения от источника к отражателю и выполненный в виде плоскопараллельной стеклянной пластины, на одну из граней которой нанесено полупрозрачное покрытие, и приемник излучения (3).

Этот интерферометр содержит те же недостатки, что и аналоги.

Задачей изобретения является обеспечение возможности наблюдения девиации угла отражения света от подвижного отражателя при изменении скорости подвижного отражателя.

Технический результата достигается тем, что интерферометр Майкельсона с подвижным отражателем, содержащий источник излучения, предназначенный для скрепления с объектом отражатель, светоделитель, установленный на пути пучка излучения от источника к отражателю, и приемник излучения, размещенный на пути пучка излучения, последовательно отраженного отражателем и светоделителем, снабжен вторым отражателем, выполненным плоским, при этом для обеспечения возможности наблюдения девиации угла отражения света от первого отражателя при изменении скорости вращения объекта вокруг оси первый отражатель выполнен в форме круглого цилиндра с полированной поверхностью и предназначен для скрепления с объектом таким образом, что его ось совпадает с осью вращения объекта, а оба отражателя установлены так, что вектор линейной скорости первого отражателя, проведенной по касательной к его поверхности в точке отражения осевого луча пучка излучения, падающего на полированную поверхность первого отражателя, лежит в плоскости, образованной осевыми лучами пучков излучения, отраженных обоими отражателями соответственно.

Во втором варианте интерферометр Майкельсона с подвижным отражателем, содержащий источник излучения, предназначенный для скрепления с объектом отражатель, светоделитель, установленный на пути пучка излучения от источника к отражателю и выполненный в виде плоскопараллельной стеклянной пластины, на одну из граней которой нанесено полупрозрачное покрытие, и приемник излучения, размещенный на пути пучка излучения, последовательно отраженного отражателем и светоделителем, снабжен вторым отражателем, выполненным плоским, при этом для обеспечения возможности наблюдения девиации угла отражения света от первого отражателя при изменении скорости вращения объекта вокруг оси первый отражатель выполнен в форме круглого цилиндра с полированной плоскостью основания, центр которого совпадает с осью круглого цилиндра, и предназначен для скрепления с объектом так, что его ось совпадает с осью вращения объекта, причем первый отражатель полированной плоскостью основания обращен к пучку излучения от источника, прошедшему через светоделитель, таким образом, что осевые лучи пучков излучения, отраженные соответственно обоими отражателями, расположены в плоскости, перпендикулярной прямой, проведенной через центр полированного основания первого отражателя и точку отражения осевого луча пучка излучения, падающего на первый отражатель, а приемник излучения установлен так, что его оптическая ось совпадает с осевым лучом пучка излучения, отраженного вторым отражателем и прошедшего через светоделитель.

Наличие в устройстве совокупности указанных технических средств и новой организации связей обеспечивает по сравнению с прототипом возможность наблюдения девиации угла отражения света от подвижного отражателя.

На фиг.1, 2 представлен интерферометр Майкельсона с подвижным отражателем, выполненным в форме круглого цилиндра с полированной плоскостью основания, на фиг.2 вид сверху, на фиг.3, 4 интерферометр Майкельсона с подвижным отражателем, выполненным в форме круглого цилиндра с полированной боковой поверхностью, на фиг.4 вид сверху.

Устройство содержит (фиг.1-4) источник 1 излучения, создающий пучок монохромного света (например, лазер), светоделитель 2 с полупрозрачным зеркальным покрытием, частично пропускающий и частично отражающий пучок излучения от источника 1, разделяя этот пучок на два взаимно перпендикулярных пучка, первый (подвижный) отражатель 3 металлический, выполненный в форме круглого цилиндра с чистой полированной поверхностью и установленный на пути пучка излучения, прошедшего через светоделитель 2, второй (неподвижный) отражатель 4 выполнен плоским и установленный на пути пучка излучения 6 отраженного светоделителем 2 приемник 5 излучения, предназначенный для наблюдения интерференционной картины, создаваемой видимым или невидимым электромагнитным излучением (например, объектив электронно-оптического преобразователя или зрительная труба).

Интерферометр Майкельсона с подвижным отражателем работает следующим образом.

Излучаемый источником 1 пучок монохромного света падает на светоделитель 2, где разделяется на два пучка. Пучок, отраженный от покрытой металлом поверхности светоделителя полупрозрачного зеркала, падает нормально на неподвижный плоский отражатель 4, отражается от него и, пройдя сквозь светоделитель 2, попадает в приемник 5 излучения. Пучок монохромного света от источника 1, прошедший через светоделитель 2, падает на полированную плоскость основания подвижного отражателя 3 под острым (10^-3 10^-5 радиан) углом α (фиг.2), отражается обратно и, отразившись от полупрозрачного зеркала светоделителя 2, также попадает в приемник 5. Таким образом, от одного и того же источника 1 получаются два пучка лучей одинаковой интенсивности, идущих в приемник 5, где наблюдаются интерференционные полосы. Можно считать, что в приемнике 5 наблюдается интерференционная картина, возникающая в результате отражения пучков излучения от двух плоскостей: от плоскости неподвижного отражателя 4 и от плоскости 6, являющейся изображением полированной плоскости основания подвижного отражателя 3 в полупрозрачном зеркале светоделителя 2 (фиг. 2). Так как плоскости 4 и 6 расположены под острым углом друг к другу, то действие плоскостей 4 и 6 равносильно действию клина, причем линейное расстояние между интерференционными полосами обратно пропорционально величине острого угла клина. Если в процессе наблюдения интерференционной картины происходит изменение, например увеличение скорости вращения объекта и соответственно линейной скорости подвижного отражателя в точке отражения осевого луча пучка излучения, падающего на полированную поверхность подвижного отражателя 3, то тогда в случае изменения (уменьшения) угла отражения a осевого луча от поверхности отражателя 3 на величину Da соответственно изменится величина острого угла воздушного клина, образованного плоскостями 4 и 6, которая станет равной a-Δα. Это в свою очередь приведет к увеличению расстояния между интерференционными полосами. Если происходит многократное уменьшение скорости подвижного отражателя, то ожидаемая девиация угла отражения пучка света от подвижного отражателя Da будет наблюдаться в виде уменьшения линейного расстояния между интерференционными полосами. В том случае когда подвижный отражатель выполнен в форме круглого цилиндра с полированной боковой поверхностью и расположен так, как показано на фиг.3, 4 (при этом клин, образованный плоскостями 4 и 6, как и в предыдущем случае, является тонкой пластиной переменной толщины), то вследствие кривизны отражающей поверхности подвижного отражателя расстояние между интерференционными полосами в разных точках интерференционной картины будет различным.

Преимущество описанного технического решения по сравнению с прототипом, т.е. обеспечение возможности наблюдения девиации угла отражения света от подвижного отражателя при изменении скорости подвижного отражателя в выбранной инерциальной системе отсчета, обусловлено постоянством геометрических длин плеч двухлучевого интерферометра при изменении скорости подвижного отражателя.

Устройство обеспечивает возможность определения степени влияния скорости подвижного отражателя на направление распространения пучка излучения, отраженного подвижным отражателем.

Эффективность технического решения вытекает из расчетных данных, подтверждающих возможность решения задачи изобретения обеспечение возможности наблюдения девиации угла отражения света от подвижного отражателя при изменении скорости подвижного отражателя и основывающихся на оценке возможного изменения расстояния между интерференционными полосами при изменении скорости подвижного отражателя на известную величину.

Примем, что ожидаемое значение Da изменения угла отражения пучка света от подвижного отражателя (девиация) не превышает величины DV/C радиан, где C
скорость света в вакууме, ΔV - изменение линейной скорости подвижного отражателя в точке отражения осевого луча пучка излучения, падающего на подвижный отражатель (ΔV = Δω•R, где Δω - измерение угловой скорости подвижного отражателя, R расстояние между центром основания круглого цилиндра и точкой отражения осевого луча от полированной поверхности круглого цилиндра, фиг. 1-4). Разность хода (Δ) двух интерферирующих лучей, отраженных от плоскостей 4 и 6, определяется формулой: , где d толщина клина в месте интерференции двух отраженных лучей, n коэффициент преломления тонкой клинообразной пластины. Для клина, образованного плоскостью отражателя 4 и плоскостью 6 (фиг. 2), линейное расстояние L между любыми двумя соседними интерференционными полосами будет постоянным. Если двум точкам А и В на плоскости 6 соответствуют максимумы двух соседних светлых полос, то разности хода Δ(A) и Δ(B) в этих точках равные: Δ(A) = 2d_A•n =k•λ, Δ(B) = 2d_B•n = (K-1)•λ где d_А и d_В толщины клина соответственно в точках А и В (d_В <d_А), λ - длина волны интерферирующего излучения. Вычитая почленно два последних равенства друг из друга, получаем: Δ(A)-Δ(B)=λ=2n•(d_A-d_B). Так как расстояние L между полосами равно L=(d_A-d_B)/sin(α-Δα), где _(α-Δα) угол клина, образованный плоскостями 4 и 6, то имеем: L=(λ/2n)/sin(α-Δα). Поскольку для воздуха n=1, то для малых значений угла α получим:

При малых скоростях подвижного отражателя (менее 3 м/с в точке отражения осевого луча) Δα=0 и L_о=λ/2α. При значительном (100-кратном или более) увеличении скорости подвижного отражателя изменение расстояния между полосами составит величину ΔL, равную:

Причем относительное увеличение линейного расстояния между полосами составит в процентах:

При ΔV300 м/с на основании принятого допущения Δα10^-6 радиан. Тогда при угле a 10^-5 радиан относительное увеличение линейного расстояния между полосами в процентах составит:
в

Использование: оптика. Сущность изобретения: излучаемый источником 1 пучок монохромного света падает на светоделитель 2, где разделяется на два пучка. Пучок, отраженный от светоделителя 2, падает на неподвижный плоский отражатель 4, отражается от него и, пройдя через светоделитель 2, попадает в приемник 5 излучения. Пучок от источника 1, прошедший через светоделитель 2, падает на подвижный отражатель 3 под острым углом, отражается обратно и, отразившись от светоделителя 2, попадает в приемник 5 излучения. В приемнике 5 излучения наблюдают интерференционную картину. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Интерферометр Майкельсона с подвижным отражателем, содержащий источник излучения, предназначенный для скрепления с объектом отражатель, светоделитель, установленный на пути пучка излучения от источника к отражателю, и приемник излучения, размещенный на пути пучка излучения, последовательно отраженного отражателем и светоделителем, отличающийся тем, что он снабжен вторым отражателем, выполненным плоским, при этом для обеспечения возможности наблюдения девиации угла отражения света от первого отражателя при изменении скорости вращения объекта вокруг оси первый отражатель выполнен в форме круглого цилиндра с полированной поверхностью и предназначен для скрепления с объектом таким образам, что его ось совпадает с осью вращения объекта, а оба отражателя установлены так, что вектор линейной скорости первого отражателя, проведенный по касательной к его поверхности в точке отражения осевого луча пучка излучения, падающего на полированную поверхность первого отражателя, лежит в плоскости, образованной осевыми лучами пучков излучения, отраженных обоими отражателями соответственно. 2. Интерферометр Майкельсона с подвижным отражателем, содержащий источник излучения, предназначенный для скрепления с объектом отражатель, светоделитель, установленный на пути пучка излучения от источника к отражателю и выполненный в виде плоскопараллельной стеклянной пластины, на одну из граней которой нанесено полупрозрачное покрытие, и приемник излучения, размещенный на пути пучка излучения, последовательно отраженного отражателем и светоделителем, отличающийся тем, что он снабжен вторым отражателем, выполненным плоским, при этом для обеспечения возможности наблюдения девиации угла отражения света от первого отражателя при изменении скорости вращения объекта вокруг оси первый отражатель выполнен в форме круглого цилиндра с полированной плоскостью основания, центр которого совпадает с осью круглого цилиндра, и предназначен для скрепления с объектом так, что его ось совпадает с осью вращения объекта, причем первый отражатель полированной плоскостью основания обращен к пучку излучения от источника, прошедшему через светоделитель, таким образом, что осевые лучи пучков излучения, отраженные соответственно обоими отражателями, расположены в плоскости, перпендикулярной прямой, проведенной через центр полированного основания первого отражателя и точку отражения осевого луча пучка излучения, падающего на первый отражатель, а приемник излучения установлен так, что его оптическая ось совпадает с осевым лучом пучка излучения, отраженного вторым отражателем и прошедшего через светоделитель.