Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В отличие от рассмотренных выше методов в интерферен­ционном методе измерения выполняют путем регистрации ре­зультата непосредственной интерференции немодулированных волн.

Интерференция и когерентность

Из курса физики известно, что при наложении двух коге­рентных волн одинаковой поляризации происходит их интер­ференция, т. е. взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других, в зависимости от разности их фаз ф2—Фі в этих точках. Общий закон интерференции записыва­ется в виде

/рез = /х + /г + 2>7Л. Тс08(ф2—ф1), (1.93)

где /рез — результирующая интенсивность в точке интерферен­ции; 1{ и І2 — интенсивности интерферирующих волн в этой точке, а множитель у отражает степень когерентности волн.

Роль когерентности. Когерентность волн определяет способ­ность их к интерференции. Понятие когерентности является фундаментальным и детально разъясняется в курсах физиче­ской оптики. С практической точки зрения часто оказывается достаточным такое определение: когерентные колебания — это колебания, у которых разность фаз <рг — фі остается постоянной за время наблюдения. При этом указанное постоянство может рассматриваться во времени и в пространстве, в связи с чем говорят о пространственной и временной когерентности. Под пространственной когерентностью понимается степень постоян­ства разности фаз волн, испущенных из различных точек источ­ника в один и тот же момент времени. Под временной когерент­ностью понимается степень постоянства разности фаз волн, ис­пущенных из одной и той же точки источника, в любые два последовательных момента времени. Для характеристики вре­менной когерентности вводят понятие времени когерентности тк — времени, в течение которого практически сохраняется постоянство разности фаз. Если в некоторую точку простран­ства приходят две пространственно когерентные волны (на­пример, две волны из одной и той же точки источника, про­шедшие по различным путям), то они могут интерферировать только в том случае, когда запаздывание т одной волны отно­сительно другой не превышает времени когерентности тк. Чтобы это условие выполнялось, разность хода интерферирующих волн должна быть не более птк, где v — скорость распростране­ния. Величина l=vТк называется длиной когерентности и пред­ставляет собой ту максимально возможную разность хода, при которой еще может наблюдаться интерференционная картина.

Практическим критерием степени постоянства разности фаз, т. е. мерой степени когерентности, является контраст (вид — ность, резкость, четкость) интерференционных полос — важней­ший параметр интерференционной картины. Если условие ф2 — фі=const не соблюдается, то, как видно из уравнения (1.93), изменяется И результирующая ИНТеНСИВНОСТЬ /рез, что приводит к «размытию» интерференционных полос — уменьше­нию контраста. В общем случае контраст определяется выра­жением

К = (/щах — ^т! п)/(Лпах Ч* Лп1п)» (1.94)

ГДЄ /тах И /т1п — ИНТЄНСИВНОСТИ В Центре СВЄТЛОЙ И ТЄМНОЙ ПО­ЛОС соответственно. При этом 0</С< 1; крайние значения соот­ветствуют предельным случаям полной некогерентности (К=0) и полной когерентности (/(=1) колебаний, никогда строго не реализуемым на практике. В любой реальной ситуации мы имеем дело с промежуточными случаями частичной когерент­ности колебаний. .

Смысл величины у в уравнении (1.93) состоит в том, что она дает информацию о контрасте интерференционной картины.

При равенстве интенсивностей интерферирующих ВОЛН (/) = /2) значение у непосредственно равно величине контраста К-

Получение когерентных волн в интерферометре и макси­мальная разность хода (длина когерентности). Использование интерференции света (или радиоволн) для измерительных це­лей осуществляется при помощи интерферометров. В любом интерферометре, независимо от его назначения, схемы и кон­струкции, излучение источника разделяется на два (или более) когерентных пучка и эти пучки соединяются после прохожде­ния ими различных оптических путей. Технически получить два когерентных пучка из первичного излучения можно, направляя излучение на непрозрачный экран с двумя отверстиями (деле­ние волнового фронта) или на полупрозрачную поверхность, частично пропускающую, частично отражающую излучение (деление амплитуды). Нетрудно понять, почему вторичные волны будут когерентны между собой. Если фаза первичной волны изменяется, пусть даже хаотически, то эти изменения фазы передаются одновременно обеим вторичным волнам, т. е. происходят у них синхронно, и разность их фаз остается посто­янной величиной.

Постоянство разности фаз будет сохраняться, как ясно из изложенного ранее, лишь в пределах времени когерентности тк. Время когерентности является параметром источника излу­чения и равно обратной величине ширины его спектра: тк= = 1/Av. Чем уже спектр, т. е. чем выше степень монохроматич­ности источника, тем больше время когерентности. Обычные тепловые (нелазерные) источники света излучают широкий спектр, и время когерентности у них мало. Для белого света оно равно примерно 10~14 с, а для используемых в спектроско­пии «монохроматизированных» источников света 10-10—■^ 10-8 с; у лучших из них оно может приближаться к 10“8 с. У лазеров время когерентности существенно больше и может достигать 10-2 с и более. Соответственно длина когерентности составляет для белого света 2—3 мкм, для стандартных спектроскопиче­ских источников приблизительно 30 см, а для лазеров — до со­тен километров. Однако такие значения длины когерентности для лазеров получаются только теоретически и на практике нереализуемы из-за оптической нестабильности земной ат­мосферы, обусловленной турбулентностью. Турбулентные пуль­сации показателя преломления воздуха хаотически изменяют амплитуду и фазу световых волн, сильно «разрушая» когерент­ность излучения. Практически длина когерентности лазерного излучения в атмосфере снижается до сотен метров (максималь­ная разность хода, при которой экспериментально наблюдалась интерференционная картина, составляет 500 м).

В радиодиапазоне время когерентности является совер­шенно иным по порядку величины, чем для оптических волн. Время когерентности определяется в генераторе радиоволн, и в стабилизированных по частоте генераторах может достигать

Десятков минут и даже часов. За минуту электромагнитная волна проходит 18 млн. км, и длина когерентности радиоволн выражается астрономическими цифрами. Это говорит о том, что интерференция радиоволн может наблюдаться при любой разности хода.

Комментарии запрещены.