Интерферометр Кущенко В.А. Российский патент 2017 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к интерферометрам.

Известен интерферометр Жамера [1], содержащий две пластины, известен интерферометр Фабри-Перо [2], содержащий два зеркала, известен интерферометр Маха-Цандера [3], содержащий два зеркала и две пластинки, известен интерферометр на базе бипризмы Френеля [4]. Известен интерферометр Михельсона (Майкельсона) [5] (прототип), содержащий источник света, пластину преломления-отражения, два зеркала и экран.

Известен патент РФ №2206064 - учебный оптический интерферометр, прибор, содержащий щель, светосоздающую систему. Недостатком известного интерферометра является отсутствие возможности измерять параметры среды в космосе. Недостатком прототипа является сложность, громоздкость конструкции, недостаточная точность измерений. Предлагаемый интерферометр повышает эффективность прибора путем переноса прибора в космос. Нахождение в невесомости устраняет вибрации, позволяет удаленно от Земли на разных орбитальных высотах производить замеры на первой космической скорости (8 км/с) по направлению вращения Земли и против вращения Земли, также на второй космической скорости (более 12 км/с), на третьей космической скорости (16 км/с), с учетом скорости движения Солнца относительно центра галактики (250000 км/с) на разном расстоянии от Солнца. Также измерения можно будет проводить на орбитах Луны, Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона, а также в районе астероидного пояса между Марсом и Юпитером; фиксировать результаты для последующей компьютерной обработки.

На основе отрицательного результата, полученного в опыте Майкельсона-Морли, построены многие теории современной науки: релятивистская теория относительности, релятивистская квантовая механика, теория возникновения и расширения Вселенной, а также связанные с этими теориями другие научные дисциплины. Поэтому очевидна важность проведения такого опыта в современных условиях с добавлением компьютерной обработки данных, которая позволяет более точно фиксировать результаты, применять программы автоматического анализа этих результатов, оперативно обмениваться результатами и концентрировать их в одном месте.

Изобретение поясняется фиг. 1, 2.

Предлагаемый интерферометр состоит (фиг. 1) из когерентного источника света 1, испускающего исходный луч 2, проходящий через полупрозрачную отражательную пластинку 3, проходящего луча 4, отраженного луча 5, световода 6, световода с изменяемой длиной 7 со светопрозрачным наполнителем (газ, жидкость) 8 с заданным коэффициентом преломления света (n), с приводом изменения длины 9, в дальнем конце световод 7 подсоединен к световоду 10. Элементы 6-10 образуют световой блок 11, имеющий возможность совершать повороты, имеющий привод 12, луч 13, выходящий из световода 10 проходит на вторую пластинку 14, проходящий луч 15 (из луча 4) и преломленный луч 16 (из луча 13) проходят через фокусирующую систему 17 на полупрозрачный экран 18, сзади которого находится камера 19, подсоединенная к контроллеру (КТР) 20, подсоединенный к приводу 12 и приводу 9, а также подключенный к панели управления (ПУ) 21, экрану (Э) 22, модему (М) 23. Элементы 3-15 могут находиться в вакууме. Световой блок 11 может быть выполнен из твердого материала фиг. 1(б) и состоять из светопровода первой части 24.1, второй части 24.2 и клина светового 24.3.

На фиг. 2 показаны возможные варианты места применения интерферометра на различных орбитах Земли 25: а) по направлению вращения Земли; б) против направления вращения Земли; между Луной и Землей, на самой Луне 26, на орбитах Луны 27, на орбитах Марса 28, на траектории пути от Земли к Марсу 29, на подлете и на орбите Венеры 30, на подлете и на орбите Меркурия 31, в поясе астероидов 32, на орбитах Юпитера 33, на орбитах Сатурна 34, возле Урана 35, на околосолнечной орбите Нептуна 36, на орбите Плутона 37, вне Солнечной системы 38 (а - в плоскости планет, б - перпендикулярно плоскости движения планет). По формулам (1-5) можно рассчитать интенсивность интерференционной картины, полученной на экране 18, а также максимумы и минимумы:

где С=300000 км/с скорость света

при: ν=С; Δt₁=∞, Δt₂=∞

ν=0Δt₁=2 l_п/С, Δt₂=2 l_п/C;

ν=0.01 C; Δt₁=2 l_п/0.99994 С; Δt₂=2 l_п/0.9999 С;

ν=0.1 С; Δt₁=2 l_п/0.994 С; Δt₂=2 l_п/0.99 С;

ν=0.5 C; Δt₁=2 l_п/0.866 С; Δt₂=2 l_п/0.75 C;

m=1, 2, 3 …

где

ν - скорость света в среде перемещения интерферометра;

Δt₁ - время движения луча 1 в интерферометре;

Δt₂ - время движения луча 5 в интерферометре;

l_п - длина плеча интерферометра;

ν_э - скорость движения среды, в которой перемещается интерферометр;

λ - длина волны света;

max - максимум в интерференционной картине наложения волн от лучей, идущих разными путями, min - минимум в интерференционной картине наложения волн от лучей, идущих разными путями;

Δ - расстояние между максимумом и минимумом интенсивности в интерференционной картине;

I - интенсивность интерференционной полосы;

E₀ - энергия светового потока источника света, применяемого в интерферометре;

b - расстояние от отверстия оптической системы до экрана;

d - диаметр отверстия оптической системы прибора.

В табл. 1 показаны коэффициенты преломления веществ, которые могут быть помещены в качестве наполнителя в соответствующий блок предлагаемого интерферометра.

Предлагаемый интерферометр работает следующим образом.

Когерентный источник света 1 порождает луч 2, который подается на полупрозрачную пластинку 3 и расщепляется на два луча. Первый луч 4 идет на полупрозрачную пластинку 14, а второй луч 5 попадает в световод 6 и по нему в световод 7 (или в светопроводы 24.1, 24.2, 24.3) и далее в световод 10, и далее в пластинку 14. Далее луч 13 (луч 16 после пластины 14) вместе с лучом 4 (луч 15, после пластины 14) проходят через фокусирующую систему 17 и далее поступают на полупрозрачный экран 18, изображение с которого через видеокамеру 19 поступает в контроллер (КТР) 20, который обрабатывает информацию, который управляется с помощью панели 21. Обработанное изображение поступает на экран 22 и посредством контроллера (КТР) 20 через модем 23 передается в систему интернет. Соответствующий сигнал с выхода контроллера 20 поступает на привод 12 для углового поворота светового блока 11 и на привод 9 для изменения длины пути луча 5 световодом 7 или светопроводами 24.1, 24.2, 24.3

При нахождении интерферометра на орбите в космическом аппарате, который движется по ходу вращения Земли со скоростью 8 км/с, земная поверхность при этом вращается 500 м/с, луч света 4 проходит в вакууме от пластины 3 до пластины 4, луч 5 проходит по световому блоку 11, имеющему световоды 7 (24.1, 24.2, 24.3), выполненные из заданного материала с известным коэффициентом преломления, согласно формулам Майкельсону-Морли (1-5) можно рассчитать время, затраченное на движение лучей 4 и 5. При повороте светового блока 11 (и луча 5), при изменении свойств среды, интерференционная картина изменится. Лучи 4, 13 встречаются на пластинке 14 и далее, проходя через фокусирующую систему 17 (лучи 15, 16 после пластины 14), отображаются на экран 18, создавая изображение полос или концентрических кругов.

Предлагаемый интерферометр имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:

1. Помещенный в вакуум путь прохождения луча уменьшает внешнее воздействие воздушной (газовой) среды. Помещение пути прохождения второго луча в специальную среду задает с помощью этой среды другие параметры взаимодействия.

2. Помещение прибора в космос (в невесомость) позволяет свести к минимуму вибрации.

3. Помещение предлагаемого прибора в космос также уменьшает связь параметров среды с Землей, позволяет проводить эксперименты при больших скоростях (8 км/с, 12 км/с, 16 км/с).

4. Прибор компактен, позволяет доставлять его в сложенном состоянии на орбиту и использовать его в самом космическом корабле и за его пределами.

5. Размещение в космосе предлагаемого интерферометра существенно расширяет возможности проводить опыты Майкельсона-Морли не только на Земле, но и на других небесных телах, доступных в настоящее время, - Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон, астероиды, орбиты Солнца в плоскости вращения планет Солнечной системы и перпендикулярно плоскости планет Солнечной системы с передачей данных в центр управления.

6. При вращении светового блока можно задать перпендикулярное и сонаправленное движение лучей.

7. В световой блок можно добавлять вещество: газообразное, жидкое, твердое, применяя материалы с различными коэффициентами преломления.

8. Применение различных когерентных установок позволяет использовать различные частоты электромагнитного диапазона. С помощью контроллера появляется возможность оперативно менять среду пути луча, настраивая на гребень или на впадину волны для одного из направлений. То есть при повороте на определенный угол, допустим 30°, 45°, 90°, можно автоматически определять полученный сдвиг волны.

9. Лучи в предлагаемом интерферометре идут в одну сторону и не возвращаются назад, что также повышает достоверность данных. В предлагаемом интерферометре можно увеличить путь, проходимый светом, путем раздвижной конструкции на то расстояние, которое необходимо.

10. Наличие системы передачи и приема данных позволяет активно проводить опыты в любом месте нахождения прибора.

Источники информации

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Москва, Физмат, т. 4 с. 249, 2005 г.

2. Интерферометр Фабри-Перо. МФТИ, ЛР №5, Москва, 2005 г.

3. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – Москва, Наука, 1973, 720 с.

4. Резников Л.И. Физическая оптика. М.: Просвещение, 1971 г.

5. Элиот Л., Уилкокс У. Физика. Москва, Наука, 1975 г.

6. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике. М., 1978 г.

7. Интерферометр Майкельсона с лазерным источником света. ГОУ ВПО «Саратовский гос. университет». В.П. Рябухо и др. Саратов, 2009 г.

Изобретение относится к интерферометрам. Интерферометр содержит когерентный источник света 1, излучающий исходный луч 2, проходящий через полупрозрачную отражательную пластинку 3 и расщепляющийся на проходящий луч 4 и отраженный луч 5, который проходит световод 6 и световод с изменяемой длиной пути 7 с светопрозрачным наполнителем 8 с заданным коэффициентом преломления, который снабжен приводом изменения длины 9. Световод 7 подсоединен к световоду 10. Световой блок 11 состоит из элементов 6-10 и привода 12, обеспечивающего возможность совершать повороты. Луч 13, выходящий из световода 10, проходит на вторую полупрозрачную пластинку 14, становясь лучом 16. Также через пластинку 14 проходит луч 4, становясь проходящим лучом 15. Лучи 15 и 16 проходят через фокусирующую систему 17 на полупрозрачный экран 18, сзади которого находится камера 19, подсоединенная к контроллеру 20. Контроллер 20 подсоединен к приводам 9 и 12, а также к панели управления 21, экрану 22, модему 23. Технический результат – повышение компактности, гибкости настройки. 2 ил., 1 табл.

Интерферометр, содержащий полупрозрачные отражающие пластинки, отличающийся тем, что снабжен когерентным источником света 1, испускающим исходный луч 2, проходящий через полупрозрачную отражательную пластинку 3 и расщепляющийся на проходящий луч 4 и отраженный луч 5, который проходит световод 6, световод с изменяемой длиной пути 7 со светопрозрачным наполнителем 8 с заданным коэффициентом преломления, который снабжен приводом изменения длины 9, световод 7 подсоединен к световоду 10, причем световой блок 11 состоит из элементов 6-10 и имеет возможность совершать повороты, а также имеет привод 12, причем луч 13, выходящий из световода 10, проходит на вторую пластинку 14 (становясь лучом 16), через которую проходит луч 4 (становясь проходящим лучом 15), лучи 15 и 16 проходят через фокусирующую систему 17 на полупрозрачный экран 18, сзади которого находится камера 19, подсоединенная к контроллеру 20, подсоединенному к приводам 9, 12, а также подключенному к панели управления 21, экрану 22, модему 23.