|
Использование
интерферометра Майкельсона
для определения механической стабильности голографической
схемы и измерения длины когерентности лазера
Автор:
С.П. Воробьев
Введение
 Интерферометр
Майкельсона имеет богатую историю. Его изобрел
американский физик А. А. Майкельсон в 1881 г.
для своего знаменитого опыта по обнаружению
некой универсальной мировой среды – эфира, в
которой, по представлениям физики того времени,
должен был распространяться свет. Отрицательный
результат этого эксперимента сокрушил эфирную
концепцию электродинамики и заложил основы современной
электродинамики, основанной на знаменитых уравнениях
Дж. Максвелла, которые описывают распространение
электромагнитных волн без какой-либо среды.
Опыт Майкельсона явился так же одной из отправных
точек для создания теории относительности А.
Эйнштейна и его постулата о постоянстве скорости
света. Рассмотрим современную конструкцию интерферометра
Майкельсона, см. рис. вверху. Пучок от лазера
1 направляют на полупрозрачное зеркало
2 примерно под углом 45 градусов. Прошедший
и отраженный пучки зеркалами 3 и 4
отражают строго в обратном направлении на полупрозрачное
зеркало 2.
 Преломившись
и отразившись на полупрозрачном зеркале, оба
пучка идут параллельно, по одной оптической
оси на экран 5. Так как пучки когерентные,
на экране будет видна интерференционная картина
от этих пучков. Одно из отражающих зеркал, например,
зеркало 3, должно обязательно иметь механизм
точной юстировки положения. Задача юстировки
– точно соединить отраженные от зеркал 3,
4 пучки на полупрозрачном зеркале и пустить
их по одной оптической оси на экран. Только
тогда интерференционная картина на экране будет
иметь максимальный период и видна невооруженным
глазом. Если юстировка проведена некачественно
или пучок плохо сколлимирован (имеет большую
угловую расходимость), частота интерференционной
картины будет большой и ее придется рассматривать
через линзу или объектив от микроскопа.
 Поэтому
желательно, чтобы пучок лазера был параллельным.
На рис. вверху приведен вид интерференционной
картины в начале юстировки, когда пучки сходятся
под небольшим углом и период интерференционной
картины достаточно мал. На рис. справа показан
вид интерференционной картины при оптимальной
настройке, когда оба пучка точно сведены в один
пучок и период интерференционной картины становится
больше размера пучка. При этом на экране, при
смещении любого из зеркал интерферометра, просто
меняется интенсивность сведенного пучка в его
сечении.
 На
рис. внизу показан вид интерференционной картины
на экране при небольшой сферичности волнового
фронта лазерного пучка. На фото внизу показана
экспериментальная схема интерферометра Майкельсона.
Обозначения элементов интерферометра такие же,
как на первом рисунке. В качестве источника
света взят полупроводниковый лазер. Так как
пучок полупроводникового лазера сильно расходится,
перед ним поставлена коллимирующая линза. Для
лазерных указок пучок коллимировать не надо,
т. к. в них уже установлена линза.
При смещении
любого из зеркал интерферометра, разность хода
пучков изменится, и это отразится на положение
интерференционной картины на экране.
 Если
вместо экрана установить фотоприемник – фотодиод
6, с апертурой светочувствительной поверхности
меньшей, чем четверть периода интерференционной
картины, можно наблюдать изменение положения
интерференционной картины во времени с помощью
осциллографа 7 или самописца.
На рисунках
внизу показаны характерные осциллограммы спокойного
состояния схемы и состояния с повышенной вибрацией.
Максимальное отклонение луча составляет lambda/2.
Поставив интерферометр Майкельсона на конкретную
голографическую схему, можно достаточно надежно
оценить уровень механических возмущений и найти
их источник.
 |
 |
Как правило, основные возмущения идут от пола
помещения. Поэтому голографические установки
стараются развязать от прямого контакта с полом,
применяя автомобильные камеры, футбольные мячи
и т.д.
Измерение
длины когерентности лазера
Чем больше разность хода опорного и сигнального пучков, тем меньше амплитуда интерференционной картины, создаваемая ими на голограмме и, следовательно, тем ниже яркость голографического изображения. Степень когерентности лазерного излучения определяет, какую глубину сцены можно записать на голограмме. Для лазеров с эталоном Фабри-Перо, обеспечивающих одночастотный режим, длина когерентности может составить несколько метров. Для газовых лазеров без эталона, длина когерентности определяется длиной резонатора – чем лазер короче, тем длина когерентности меньше. Для наиболее популярного лазера ЛГН–220 (длина резонатора около 1,5 м) длина когерентности составляет примерно 15-20 см. Для полупроводниковых лазеров ситуация с когерентностью сложнее, потому, что в них существует особый механизм генерации излучения.
Для измерения длины когерентности лазера можно использовать интерферометр Майкельсона, меняя положение одного из зеркал и измеряя амплитуду интерференционной картины.
Для начального измерения, расстояние от зеркал
3, 4 до делителя 2 должно быть одинаковым. Тогда когерентность не будет влиять на интенсивность интерференционной картины, и ее амплитуда будет максимальной. Постукивая по столу, т.е., создавая искусственную вибрацию, замеряем по осциллографу амплитуду интерференционной картины. Затем сдвигаем одно зеркало, например, зеркало
4, на два сантиметра. При этом разность хода пучков изменится на 4 см. Подстраиваем интерферометр до получения качественной интерференционной картины и опять измеряем амплитуду интерференционной картины. Амплитуда немного уменьшится. Сдвинув зеркало несколько раз, можно построить зависимость амплитуды интерференционной картины от разности хода пучков. Главное внимание в этом эксперименте должно быть уделено качеству настройки интерферометра после каждого сдвига зеркала.
 Длина когерентности обычно определяется как разность хода, при которой амплитуда интерференционной картины падает в два раза. На рис.
справа показан график
зависимости амплитуды интерференционной
картины от разности хода для
полупроводникового лазера (величина
амплитуды при нулевой разности хода принята
за единицу). Длина когерентности составляет
около 5 см. Поэтому глубина объекта,
который записывается на голограмму таким
лазером, не должна превышать это значение,
т.к. яркость изображения на такой глубине
будет уже достаточно мала.
|
