Многолучевая интерферометрия
Крупный шаг вперед в улучшении интерференционного метода был сделан автором в 1945 г. благодаря разработке способа многолучевой интерферометрии, который с Тех пор был усовершенствован и упрощен. Чувствительность этой методики была увеличена во сто крат 8а счет использования простых, йо принципиально иных оптических средств. До сих пор мы рассматривали Интерференционные эффекты, возникающие при сложении двух лучей примерно одной и той же интенсивности. Они приводили К созданию оптических горизонталей, соответствующих изменениям высоты на 1/40000 см. Однако при двухлучевой интерференции возникают широкие полосы, потому что светлые и тёмные полосы имеют равную ширину. В результате интерференционная полоса растянута на половину интервала интерференции. Однако если вместо Двух лучей складывается большое число близких друг к Другу лучей, то образуется интерференционная кар* тина в виде очень узких резких линий, далеко отстоя* Щих одна от другой. Именно это обстоятельство и новыпгает чувствительность этого метода выявления микроструктуры поверхности. Чем больше складывается лучей, тем уже интерференционные полосы и тем четче вей обрисовывают контуры мелкой детали. Сюбтвететаеаивг возрастает и точность измерений.
Многолучевой эффект создается благодаря покрытию двух поввржвеетей, между которыми происходит интерференции, очень тонким и исключительно равномерным слоем серебра.' Толщина слоя подбирается такой, чтобы слой отражал больше 95 % света, но все же был достаточно прозрачным, чтобы пропускать не менее 1 % света. Благодаря этому хорошо отражающему и все же отчасти прозрачному слою свет как бы перепрыгивает туда и обратно между этими посеребренными поверхно' стями. В результате примерно сотни таких «скачков» число интерференционных лучей резко увеличивается, и ширина интерференционных полос в наилучших случаях составляет не более 1/100 расстояния между царой соседних полос. Поскольку при переходе от одной полоски к другой высота поверхности меняется на 1/40 000 см, изменение высоты при перемещении поперек многолучевой интерференционной полосы составляет всего 1/1000 000 см. Практика показала, что можно измерить деформацию интерференционной полоски, составляющую всего 1/5 ее ширины. Мы приходим к замечательному выводу, что самые малые из поддающихся измерению деформации полос соответствуют изменениям высоты всего на 5А, т. е. на размер некрупной молекулы! Таким образом, наш сдомб позволяет выявлять изменение высоты на paaotepi молекулы, а все, что для этого нужно,— посеребренного стекла да ртутная лампа.
Тем не менее существует любопытное жесткое ограничение возможностей этого метода, ибо эта огромная чувствительность проявляется только в направлении: вверх — вниз. В поперечном направлении в лучшем случае можно достичь увеличения в диапазоне от 1 до 500. Это обстоятельство требует особого внимания при интерпретации картин интерференционных полос (мы называем их интерферограммами). Например, часто не составляет трудности получить интерферограммы, полосы на которых путем увеличения снимков можно разнести сантиметров на 25. Поскольку истинное изменение высоты для двух соседних полос на исследуемой поверхности составляет всего 1/40-000 см, то отсюда следует, что увеличение высоты детали поверхности в направлении вверх — вниз происходит не меньше чем в миллион раз! Тем не менее надо всегда иметь в виду, что увеличение поперек для всех этих технических применений нужны Анмазы определенных форм. Не забудьте, что красивым драгоценным камням также должна быть придана соответствующая форма! Так мы возвращаемся к вопросу, чем же можно шлифовать, резать и полировать самый твердый на свете материал.
Ответ содержится в старинной поговорке: «Клин клином вышибают», потому что — и это было известно с древнейших времен — кристаллы алмаза, подобно большинству других кристаллов, в различных направлениях имеют разную твердость. В алмазе есть «более твердые» и «более мягкие» направления, хотя «более мягкие» все-таки еще очень твердые. Еще в Эпоху древнего Рима было известно, что, хотя алмаз и тверд, он тем не менее хрупок, и ударами молотка его можно раздробить на мелкие осколки. (Твердость и хрупкость — совершенно разные качества: стекло гораздо тверже, чем мягкий алюминий, но ударьте по окну алюминиевым прутом, и хрупкое стекло треснет.) Если алмазный порошок смешать с маслом и полученную пасту намазать на быстро вращающийся металлический диск, то среди множества алмазных частиц на диске окажется много с «твердыми» направлениями. Если теперь мы возьмем алмаз, требующий огранки, и подставим его под намазанный пастой диск в «мягком» направлении Кристалла, то многочисленные частицы на диске, соответствующие твердым направлениям, медленно, но верно обточат прижимающееся к ним «мягкое направление» кристалла. Так путем большой затраты времени и труда можно в конце концов придать алмазу необходимую форму.
Какие же направления твердые и какие мягкие — это была тайна, тщательно охраняемая членами старинной гильдии гранильщиков-ювелиров. Даже сегодня трудно заставить гранильщика алмазов раскрыть секреты его ремесла. До сих пор среди специалистов нет единого мнения, «акие направления в алмазе более мягкие, и суждение, насколько одно направление может быть тверже или мягче другого, не имеет под собой сколько-нибудь прочного основания. Все здесь «пробуется на зуб», как делали в Течение веков. Ученый, если он человек здравомыслящий, не может не относиться с величайшим уважением к накопленным издревле традициям, но обнаружит, что даже среди''Т старых, опытных ремесленников оценки степени твердости разные.
Вот почему мы попытались получить кое-какие количественные данные, не полагаясь на суждения ре^месленников. В качестве объективного критерия было выбрано сопротивление абразии в разных направлециях на разных гранях алмаза. С помощью знакомого с техникой обработки алмаза механика был разработан следующий метод исследования. Небольшое чугунное колесико с острым ободом вращалось с большой скоростью; на обод наносилась алмазная паста. Этим колесом на грани алмаза наносились небольшие мелкие бороздки, причем число оборотов колеса и приложенное усилие строго фиксировались. При неизменных условиях бороздки нарезались в различных направлениях и на разных гранях кристалла. Измеряя объем различных борозд, можно было получить некую меру сопротивления абразии в различных выбранных паправлениях.
Именно здесь на сцену вышла многолучевая интерферометрия. На фото II16 показана интерферограмма одной такой бороздки. Бороздка имеет в длину всего 2,5 мм и очень мелкая; все же из вызванных ею интерференционных полос (6 на одной стороне и 7 на другой) следует, что глубина бороздки в центре около 1/80000 см. Эти снимки впервые за многие века позволили получить некоторую числовую оценку сопротивления алмаза к абразии в разных направлениях. Тем не менее первое, с чем нам придется смириться, — это то, что такие данные очень мало повлияют на недоверчивых к новому и все же весьма умелых старых мастеров, которые будут продолжать изготовлять прекрасно ограненные красивые драгоценности, пользуясь только тайнами своего ремесла, как они это делали . столетиями. В лучшем случае этими находками специалистов, может быть, воспользуется мастер, делающий алмазные резцы для промышленности.