Przedstawiam interferometr zbudowany w oparciu o projekt M. Pluty.
Co to jest i jak działa?
Interferometr (ogólnie mówiąc) służy do porównywania względnej fazy dwóch fal – w przypadku światła są to fale elektromagnetyczne. Wiązka światła wpadająca do interferometru jest rozdzielana na dwie części (początkowo o takich samych fazach) jedna z tych dwóch wiązek będzie służyła jako wiązka odniesienia, a druga po przejściu przez badany układ zostanie „skażona” różnicą fazy i po interferencji z wiązką odniesienia pozwoli uzyskać informację na temat wpływu układu na fazę fali (kształt frontu falowego), która przez niego przechodzi. Jaki ma to związek z mikroskopią? Otóż aby uzyskiwany obraz był jak najostrzejszy kształt czoła fali świetlnej musi być jak najbardziej zbliżony do idealnego, wszelkie zaburzenia (zanieczyszczenia, uszkodzenia powierzchni soczewek lub delaminacje) zniekształcają front falowy i rozmywają obraz (w mniejszym lub w większym stopniu). Często przyjmowanym kryterium jakości obiektywów jest kryterium ćwierćfalowe – odchyłka od idealnego kształtu fali nie może być większa niż ¼ jej długości (dla światła widzialnego jest to odchyłka nie większa niż 140 nm). Interferometr może wykryć nawet mniejsze odchyłki.
Schemat optyczny interferometru przedstawia rys. 1.
- Schemat układu optycznego, Za: MAKSYMILIAN PLUTA. Advanced Light Microscopy, vol. 1. PWN, Elsevier, 1988
Wiązka światła z oświetlacza przechodzi przez polaryzator (P1) oraz kondensor (C) i oświetla prostą szczelinę (S) (wyżłobioną w warstwie złota napylonej na standardowym szkiełku podstawowym) – jest ona źródłem fali cylindrycznej (
\(\Sigma\)) o osi w szczelinie. Front tej fali jest w dobrym przybliżeniu pozbawiony wad, w przeciwnym przypadku zakłamywałby wynik badania obiektywu. Obiektyw (Ob) jest umieszczony w takiej odległości od szczeliny, ze jej obraz tworzy się w płaszczyźnie interferencyjnej pryzmatu Wollastona (W). Pryzmat rozdwaja i przesuwa powstałe wiązki względem siebie. W ten sposób jedna z nich staje się odniesieniem dla drugiej. Po przejściu przez analizator (P2) wiązki interferują, a interferencyjny obraz źrenicy wejściowej obiektywu jest obserwowany z pomocą mikroskopu pomocniczego (M). Gdy obraz szczeliny jest odpowiednio wąski, pole widzenia jest jednorodne. Podczas zmian odległości pomiędzy szczeliną a obiektywem pole widzenia z jednorodnego staje się prążkowe, jednak w idealnym obiektywie prążki te są równoległe. Faza fali narasta liniowo w poprzek pola widzenia. Wady obiektywu objawiają się jako zniekształcenia prążków, w przypadku wad optycznych (np. aberracji sferycznej) umożliwiają nawet ich identyfikację.
Realizacja praktyczna
Rys. 2 przedstawia gotowy układ.
- Zdjęcie zbudowanego układu
Pryzmat (w łączniku W) pochodzi z głowicy interferencyjnej PZO (pryzmat nr 2 – interferencja prążkowa). Do mikroskopu dorobiłem też układ (G) z silnikiem krokowym umożliwiającym sterowanie śrubą mikro. Układ ten zbudowany jest w oparciu o platformę Arduino (AR) i oprócz sterowania stolikiem umożliwia wyzwalanie aparatu fotograficznego. Pod stolikiem znajduje się polaryzator i filtr interferencyjny 550 nm (układ może też pracować bez tego filtru). Zbieranie danych było zautomatyzowane za pomocą oprogramowania LabVIEW.
Wyniki
- Interferencja w świetle białym dla obiektywu Zeiss apochromat 16x 0.40
Rys. 3 Zeiss Apochromat 16x 0.40, widoczne delaminacje (B) i zabrudzenia soczewek (A) (proszę zwrócić uwagę na rozdwojenie wzoru tworzonego przez pyłki, wynikające ze sposobu działania interferometru).
- Wyniki uzyskane dla obiektywu 40x 0.65 PZO i różnych grubości szkiełek nakrywkowych
Rys. 4 PZO Achromat 40x 0.65, wpływ grubości szkiełka nakrywkowego na korekcję aberracji sferycznej obiektywu (lewy – bez szkiełka, środkowy – pojedyncze szkiełko, prawy – podwójne szkiełko)
- Wyniki uzyskane dla obiektywów fazowych 10x 0.24 PZO
Rys. 5 Wykorzystanie interferometru do pomiary przesunięcia fazowego pierścieni fazowych w Obiektywach achromatycznych 10x 0.24 PZO (lewy – PhA obiektyw fazowy ujemny, środkowy – PhZ obiektyw fazowy zmienny <pierścień środkowy dodatni, pierścień zewnętrzny ujemny>, prawy – A obiektyw amplitudowy). Proszę zwrócić uwagę na przesunięcie prążków przy przejściu przez krawędź pierścienia. Dla pierścieni ujemnych prążek jest opóźniony w stosunku do tła – prążek jest przesunięty od środka źrenicy wejściowej, oznacza to ujemny wkład do fazy fali przechodzącej przez pierścień. W przypadku pierścienia dodatniego przesunięcie jest w druga stronę – ku środkowi źrenicy wejściowej, wkład do fazy fali jest dodatni. Dla pierścienia amplitudowego przesunięcie to jest bliskie zeru, pierścień daje zerowe przesunięcie tylko dla określonej długości fali, różnej od użytej przy badaniu.
Animacje
- Ewolucja wzorów interferencyjnych dla obiektywu Zeiss 40x 0.95 ze zbliżoną do właściwej grubości szkiełka nakrywkowego
- Ewolucja wzorów interferencyjnych dla obiektywu PZO 40x 0.65 z dwukrotnie większą od właściwej grubości szkiełka nakrywkowego
- Ewolucja wzorów interferencyjnych dla obiektywu PZO 40x 0.65 bez szkiełka nakrywkowego
Schemat układu optycznego za: MAKSYMILIAN PLUTA. Advanced Light Microscopy, vol. 1. PWN, Elsevier, 1988