Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Заметим, что при независимом определении частоты этого лазера также приходилось сравнивать ее с частотой некоторого первичного эталона. Как известно, в качестве такого «атомного стандарта» в 1966 г. была выбрана частота перехода между двумя сверхтонкими компонентами цезия-133 в нулевом магнитном поле. Эта частота (v0 = 9 192 631 770 Гц) характеризуется воспроизводимостью 2-10"11. Секунда определяется как единица времени в этой «атомной» шкале.
Несмотря на трудности измерения частот в оптическом диапазоне, частоту исследованного лазера можно сравнить с часто-
249
а) б)
5,61. Интерферограмма красной линии неон-гелиевого лазера, генерирующего на одной (а) и двух (б) продольных модах (/ = 10 см)
той атомного стандарта. Для этого было взято несколько промежуточных источников стабильных частот (лазеры на углекислом газе, парах воды, синильной кислоте, клистроны). То, что эти сложнейшие измерения были проведены с суммарной относительной ошибкой 6 • 10-1° (т.е. меньшей, чем при измерении длины волны), свидетельствует о больших успехах современной техники СВЧ.
Приводимые на рис. 5.61 интерферограммы лазерной линии 6328А иллюстрируют возможность использования интерферометра Фабри—Перо для исследования модового состава излучения лазера. Если газовый лазер генерирует на двух модах (рис. 5.61,б), то на интерферограмме видны четкие двойные кольца равного наклона. Измеряя радиусы этих колец, можно определить сдвиг частот между двумя генерируемыми модами.
При различных приложениях полезен переход от фотографической регистрации интерференционной картины к фотоэлектрической записи. В этом случае исключается трудоемкая и чреватая дополнительными ошибками операция перехода от почернений фотопластинки к ее освещенности. Это важно тогда, когда исследователя интересует не только положение, но и относительная интенсивность компонент изучаемой структуры. Основы фотоэлектрического метода были разработаны в 50-х годах нашего столетия группой французских физиков (Жакино, Дюфур, Шабаль и др.). За последние годы фотоэлектрический метод получил широкое распространение, особенно в связи с исследованиями в области лазеров.
При фотоэлектрической записи (рис. 5.62) из интерференционной картины выделяют какой-либо диафрагмой некоторый участок так, чтобы в каждый момент времени через нее проходил ограниченный спектральный интервал. Для этого интерференционную картину перемещают относительно диафрагмы (такая
250
операция называется сканированием) . Интерференционная картина, создаваемая интерферометром Фабри—Перо, представляет систему колец, и поэтому наиболее выгодно и удобно использовать круглую диаграмму, помещаемую в центре интерференционной картины. При изменении оптической толщины интерферометра в центре интерференционной картины появляются (или исчезают) кольца.
Следовательно, световой поток через диафрагму изменяется и фотоумножитель зарегистрирует это изменение света.
Таким методом записана структура линии газового лазера (рис. 5.63), где четко выделяются продольные моды внутри контура,. уширенного в силу эффекта Доплера.
Сканирование обычно осуществляют изменением давления газа внутри интерферометра (что приводит к изменению показателя преломления среды) или геометрического расстояния между зеркалами. Последнее может быть достигнуто перемещением одного из зеркал (с помощью пьезоэффекта, термического расширения распорных колец и т.д.).
Сканирование изменением давления пригодно лишь для дос^-таточно «толстых» интерферометров, так как если I < 1 мм, то даже при большом изменении давления интерференционная картина смещается меньше чем на один порядок.
На рис. 5 .62 представлена оптическая схема спектрометра с интерферометром Фабри—Перо, в которой используется такой способ сканирования. Интерферометр помещают в герметическую камеру, внутри которой давление может изменяться от нескольких миллиметров ртутного столба до атмосферного. Для этого из камеры сначала откачивают ротационным насосом воздух, а потом в нее подают через узкий капилляр газообразный азот, находящийся в баллоне под высоким давлением. Эта простая методика в большинстве случаев обеспечивает удовлетворительную точность результатов.
Кольца равного наклона фокусируют объективом в плоскости входной щели монохроматора. В той же плоскости помещают круглую диафрагму, вырезающую заданную часть центрального интерференционного кольца. Чем меньше диафрагма, тем лучше разрешение, но тогда через нее проходит мало света и возникают трудности в обеспечении хорошего сигнала над уровнем шумов
I 6 t
5.62. Схема спектрометра с интерферометром Фабри—Перо:
1 — контурная диафрагма, 2 — интерферометр в камере, 3 — исследуемый источник светЬ, 4 — предохранительный клапан, 5 — капилляр, 6 — от баллона высокого давления, 7 — дифракционная решетка
251
-e-
5
5.63. Схема опыта и фотография структуры лазерной линии:
1 — He-Ne-лазер (ЛГ-75); 2 — сканирующий интерферометр; 3 — согласующая линза; 4 — ФЭУ; 5 — осциллограф
фотоумножителя. Обычно используют диафрагмы, выделяющие меньше Vio интерференционной полосы. Приведенная на рис. 1.9 структура зеленой линии ртути получена цри использовании спектрометра с интерферометром Фабри—Перо (I = 3,6 мм; зеркала очень высокого качества). Полное изложение такой методики исследования спектров и связанных с этим проблем содержится в обзоре".
