В эксперименте с интерфером Майкельсона наблюдается сдвиг интерференционных полос при введении прозрачной пластины в один из лучей — объясните физику явления, влияние показателя преломления и возможные источники ошибок измерения
Кратко — суть явления и формулы, затем влияние показателя преломления и практические источники ошибок.
1) Физика явления
В интерферометре Майкельсона два луча проходят по разным оптическим путям и затем интерферируют. Если в один из лучей вставить прозрачную пластинку толщины t и показателя преломления n, то оптическая длина этого пути изменится посравнениюстемжегеометрическимотрезкомввоздухепо сравнению с тем же геометрическим отрезком в воздухепосравнениюстемжегеометрическимотрезкомввоздухе.При нормальном падении луча дополнительная оптическая разность хода учитывая,чтолучпроходитпластинкутудаиобратноучитывая, что луч проходит пластинку туда и обратноучитывая,чтолучпроходитпластинкутудаиобратно равна Δ = 2n−1n − 1n−1t. Это потому, что в пластинке оптическая длина утроена на n, а тот же геометрический путь в воздухе давал бы длину t; при двойном прохождении разница 2nt−tn t − tnt−t = 2n−1n−1n−1t.Число сдвинувшихся полос количествоперескочившихмаксимумов/минимумовколичество перескочивших максимумов/минимумовколичествоперескочившихмаксимумов/минимумов N равно отношению этой разности к длине волны λ: N = Δ/λ = 2n−1n − 1n−1t / λ.Отсюда формула для определения n по наблюдаемому сдвигу: n = 1 + N λ / 2t2 t2t. Если же после вставки пластины вы восстанавливаете исходную картину, смещая зеркало на величину x, то 2x компенсирует Δ, и x = n−1n − 1n−1 t.
2) Общий случай при наклонном падении
При угле падения φ и угле внутри пластины r Snell:sinφ=nsinrSnell: sinφ = n sin rSnell:sinφ=nsinr дополнительная разность хода двойнойпроходдвойной проходдвойнойпроход равна Δ = 2 nt/cosr−t/cosφ n t / cos r − t / cos φ nt/cosr−t/cosφ. Для малых φ это сходится с выражением 2n−1n−1n−1t.
3) Влияние показателя преломления
Чем больше n−1n − 1n−1 при фиксированной t и λ, тем больше сдвиг полос; тонкая пластинка с большим n может давать тот же сдвиг, что и толстая с малым n.n зависит от λ дисперсиядисперсиядисперсия: если источник не строго монохроматичен, разные длины волн сдвинутся по-разному и контраст полос снизится.n зависит от температуры и давления окружающей среды dn/dTdn/dTdn/dT, поэтому изменение температуры приведёт к дополнительной фазовой погрешности.
4) Возможные источники ошибок и как их уменьшить
Неточность измерения толщины t микрометр/калибрмикрометр/калибрмикрометр/калибр: прямое влияние на n через формулу. Уменьшить — точные измерения, учёт среднего значения при неравномерной толщине.Неоднородность или клиновидность пластины wedgewedgewedge: меняет оптический путь по поперечному сечению, искажает картину; использовать планарные параллельные пластины хорошего качества.Неперпендикулярное введение пластины угловаяошибкаугловая ошибкаугловаяошибка: требует учёта угловых косинусов, добавляет погрешность; ставить пластину как можно перпендикулярно, или учитывать угол в расчётах.Погрешность при счёте полос N особеннопрималенькихNособенно при маленьких NособеннопрималенькихN: лучше повторять измерение, вести подсчёт в несколько циклов.Неопределённость длины волны λ источниксветаисточник светаисточниксвета: использовать стабилизированный монохроматический лазер He–NeHe–NeHe–Ne и учитывать его реальную λ.Ограниченная когерентная длина источника: если оптическая разность слишком большая илипластинкатолстаяили пластинка толстаяилипластинкатолстая, контраст снизится. Использовать источник с достаточной когерентностью.Вибрации, воздушные потоки и температурные градиенты: приводят к флуктуациям положения полос. Изолировать прибор, экранировать от потоков, держать температуру стабильной.Множественные отражения в пластинке эффектэталонаэффект эталонаэффектэталона: могут вносить дополнительные слабые интерференции; уменьшить — использовать антиотражающее покрытие или слегка наклонять пластинку, чтобы разнести паразитные отражения по направлению.Фазовые сдвиги при отражении припереходенаболее/менееплотнуюсредупри переходе на более/менее плотную средуприпереходенаболее/менееплотнуюсреду обычно одинаковы для обоих рук интерферометра, но асимметрия поверхностей/покрытий может внести нежелательный сдвиг.Точность движения зеркала есликомпенсируетесдвигперемещениемесли компенсируете сдвиг перемещениемесликомпенсируетесдвигперемещением: контролировать калибровку ходового винта зависимость2xвформулезависимость 2x в формулезависимость2xвформуле.
5) Практические советы
Используйте стабильный монохроматический источник и хорошую оптику параллельностьпластинкипараллельность пластинкипараллельностьпластинки.Вставляйте пластину перпендикулярно и медленно, чтобы были возможности точно сосчитать проходящие полосы.Делайте несколько измерений и усредняйте. Оценивайте погрешности по Δt, Δλ, погрешности счёта N.При необходимости учитывайте температурную поправку на n и тепловое расширение t.
Если нужно, могу:
вывести формулу с учётом наклонного падения подробно,показать оценку погрешности Δn по законам распространения ошибок,или помочь с типичным экспериментальным протоколом и таблицей измерений.
Кратко — суть явления и формулы, затем влияние показателя преломления и практические источники ошибок.
1) Физика явления
В интерферометре Майкельсона два луча проходят по разным оптическим путям и затем интерферируют. Если в один из лучей вставить прозрачную пластинку толщины t и показателя преломления n, то оптическая длина этого пути изменится посравнениюстемжегеометрическимотрезкомввоздухепо сравнению с тем же геометрическим отрезком в воздухепосравнениюстемжегеометрическимотрезкомввоздухе.При нормальном падении луча дополнительная оптическая разность хода учитывая,чтолучпроходитпластинкутудаиобратноучитывая, что луч проходит пластинку туда и обратноучитывая,чтолучпроходитпластинкутудаиобратно равнаΔ = 2n−1n − 1n−1t.
Это потому, что в пластинке оптическая длина утроена на n, а тот же геометрический путь в воздухе давал бы длину t; при двойном прохождении разница 2nt−tn t − tnt−t = 2n−1n−1n−1t.Число сдвинувшихся полос количествоперескочившихмаксимумов/минимумовколичество перескочивших максимумов/минимумовколичествоперескочившихмаксимумов/минимумов N равно отношению этой разности к длине волны λ:
N = Δ/λ = 2n−1n − 1n−1t / λ.Отсюда формула для определения n по наблюдаемому сдвигу:
n = 1 + N λ / 2t2 t2t.
Если же после вставки пластины вы восстанавливаете исходную картину, смещая зеркало на величину x, то 2x компенсирует Δ, и x = n−1n − 1n−1 t.
2) Общий случай при наклонном падении
При угле падения φ и угле внутри пластины r Snell:sinφ=nsinrSnell: sinφ = n sin rSnell:sinφ=nsinr дополнительная разность хода двойнойпроходдвойной проходдвойнойпроход равнаΔ = 2 nt/cosr−t/cosφ n t / cos r − t / cos φ nt/cosr−t/cosφ.
Для малых φ это сходится с выражением 2n−1n−1n−1t.
3) Влияние показателя преломления
Чем больше n−1n − 1n−1 при фиксированной t и λ, тем больше сдвиг полос; тонкая пластинка с большим n может давать тот же сдвиг, что и толстая с малым n.n зависит от λ дисперсиядисперсиядисперсия: если источник не строго монохроматичен, разные длины волн сдвинутся по-разному и контраст полос снизится.n зависит от температуры и давления окружающей среды dn/dTdn/dTdn/dT, поэтому изменение температуры приведёт к дополнительной фазовой погрешности.4) Возможные источники ошибок и как их уменьшить
Неточность измерения толщины t микрометр/калибрмикрометр/калибрмикрометр/калибр: прямое влияние на n через формулу. Уменьшить — точные измерения, учёт среднего значения при неравномерной толщине.Неоднородность или клиновидность пластины wedgewedgewedge: меняет оптический путь по поперечному сечению, искажает картину; использовать планарные параллельные пластины хорошего качества.Неперпендикулярное введение пластины угловаяошибкаугловая ошибкаугловаяошибка: требует учёта угловых косинусов, добавляет погрешность; ставить пластину как можно перпендикулярно, или учитывать угол в расчётах.Погрешность при счёте полос N особеннопрималенькихNособенно при маленьких NособеннопрималенькихN: лучше повторять измерение, вести подсчёт в несколько циклов.Неопределённость длины волны λ источниксветаисточник светаисточниксвета: использовать стабилизированный монохроматический лазер He–NeHe–NeHe–Ne и учитывать его реальную λ.Ограниченная когерентная длина источника: если оптическая разность слишком большая илипластинкатолстаяили пластинка толстаяилипластинкатолстая, контраст снизится. Использовать источник с достаточной когерентностью.Вибрации, воздушные потоки и температурные градиенты: приводят к флуктуациям положения полос. Изолировать прибор, экранировать от потоков, держать температуру стабильной.Множественные отражения в пластинке эффектэталонаэффект эталонаэффектэталона: могут вносить дополнительные слабые интерференции; уменьшить — использовать антиотражающее покрытие или слегка наклонять пластинку, чтобы разнести паразитные отражения по направлению.Фазовые сдвиги при отражении припереходенаболее/менееплотнуюсредупри переходе на более/менее плотную средуприпереходенаболее/менееплотнуюсреду обычно одинаковы для обоих рук интерферометра, но асимметрия поверхностей/покрытий может внести нежелательный сдвиг.Точность движения зеркала есликомпенсируетесдвигперемещениемесли компенсируете сдвиг перемещениемесликомпенсируетесдвигперемещением: контролировать калибровку ходового винта зависимость2xвформулезависимость 2x в формулезависимость2xвформуле.5) Практические советы
Используйте стабильный монохроматический источник и хорошую оптику параллельностьпластинкипараллельность пластинкипараллельностьпластинки.Вставляйте пластину перпендикулярно и медленно, чтобы были возможности точно сосчитать проходящие полосы.Делайте несколько измерений и усредняйте. Оценивайте погрешности по Δt, Δλ, погрешности счёта N.При необходимости учитывайте температурную поправку на n и тепловое расширение t.Если нужно, могу:
вывести формулу с учётом наклонного падения подробно,показать оценку погрешности Δn по законам распространения ошибок,или помочь с типичным экспериментальным протоколом и таблицей измерений.