干渉縞の見方について

質問

干渉縞の解釈について、皆様のお知恵をお貸しください。

いまマイケルソン干渉計（トワイマン・グリーン干渉計？）を使った
実験をしております。
装置の構成としては、ハーフミラーから等距離に２枚のミラーを設置し、
うち一つのミラーをわずかに傾け、スクリーンに平行等間隔の干渉縞を
投影したものを高速度で撮影できるカメラを用いて観察しています。
（下図のスラッシュがハーフミラー、== がスクリーンです）

　　　　　　　　 ―

（光源）　→　　／　　　|

　　　　　　　　 ==

ここで、ハーフミラーとどちらかのミラーの間に密度（屈折率）の異なる
ものをおくと、その量に比例して、縞が動きます。
こちらで試したものとしては、たとえばヘリウムなどを光路上で
ノズルから流すと平行であった縞が以下のように変化しました。

　　――――――　　　　　　　――＼／――
　　――――――　　　→　　　――＼／――
　　――――――　　　　　　　――＼／――

その縞の変化量から、実際にヘリウムの密度および屈折率を求めることができました。
これを用いて炎やプラズマ中の屈折率の分布を求めようとしています。

ところが、実際に金属（ステンレス鋼）の表面にレーザを当て、噴出してくる
蒸気やプラズマを干渉計で観察したところ、平行な縞や湾曲した縞でなく、
ところどころに孤立した丸い領域が出てきます。

　　――――――　　　　　――――――
　　――――――　　→　　―― ◎ ――
　　――――――　　　　　―― ||||||――

うまく図では説明できませんが、レーザによって加熱された空気および金属蒸気が
噴出してきているのですが、その噴出の先端からやや下側に周囲の縞とは孤立した
丸い縞が見えます。
この丸い部分について、どう解釈したらいいのかわからずに悩んでおります。
この丸い部分の中はどうなっているのでしょうか？
なぜこのようなものができるのでしょうか？

自分では、この部分を３次元的に見ると
　　→　　　　　　　→
　　→ ／ ＼　　　　　→
　　→ ＼ ／　　　　　→
　　→　　||　　　　 → （右矢印は干渉計の光路上の波面です）
のように、上昇物の形が壷や花瓶をひっくり返したような形になっており、
中心部分の光路長がその周囲より長くなって、縞の移動が追いつけなくなって
孤立した丸いところができたのではないかと考えています。
しかしいろいろと本を読んでも載っておらず、はっきりとはしません。

多少は干渉計について勉強したのですが、まだまだ勉強不足のようです。
もし光計測や干渉計に詳しい方がいらっしゃいましたら、ご教授ください。
よろしくお願いいたします。

回答No.2

semikuma

相対論発見のきっかけとなった、マイケルソン・モーレーの実験は聞いたことがありますし、その干渉計のことも知っていますが、自分で使ったことはないので、もしかして的外れだったらごめんなさい。

集光とは、ガラスのような屈折率の高いレンズを通したとき、光線、つまり等位相面(波面)に垂直な線が一点に集まることを言ったつもりでした。
今の場合、ガスやプラズマは屈折率が低そうなので、発散と言った方がよかったですかね。
まあ、光線を逆にたどれば、一点に集光しますが。

写真の干渉縞は水平なので、一方のミラーは上下方向に傾いていると思います。
つまり一方の波面は上下方向に傾いているので、スクリーン上では2つの波面の同じ位相の部分が水平に重なって、水平の干渉縞を作ります。
ヘリウムは多分屈折率が空気より低いので、横から見て斜め上方から来た光線は下の方へずれます。
ヘリウムが上下方向に円柱状に流れていれば、中心部分がより下方へずれるので、干渉縞はV字型となりますね。

ブルームが完全に球形だとしたら、ガラスの凹レンズを通したときのように光線は発散するので、例えば横から見て左から来た垂直平行な波面は、右側に膨れた形となります。
これを垂直なスクリーンに投射したときの等位相線は、同心円状になるはずです。
これをやや斜めにして干渉させれば、あるいはやや斜めから来る平行な波面と干渉させれば、実験のような写真になるのではないでしょうか。

尚、ブルームの屈折率が高い場合は、右側が凹んだ波面となるだけで、結果は似たようなものと思います。
但しこの場合、周辺部は暗くなるはずですが、写真では周辺部まで干渉縞がくっきりとしているので、やっぱり屈折率は低いのでしょうね。

尚、パルスでタイミングをずらして写真を撮ればと書いたのは、ブルームが成長して消滅するまでの様子を、分解写真のように記録できるのではないかと思ったからです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
長期旅行に出ていて返事が遅れてしまいました。

集光の意味、波面（光線）で考えてということなら理解できました。
同心円状になる話も、そう考えれば理解できます。
すごく参考になります。ありがとうございました！

回答No.1

semikuma

全然詳しくはありませんが、常識的に考えて：
ノズルからガスを噴出させたときには、ガスは一定の流速で流れるから、棒状のガラスを挿入したときのように流速方向に縦に集光される。
レーザを照射したときは、ブルームは球状に(というか、火の玉状に)湧き上がるから、(尻尾のついた)一点に集光される。
と考えるのが自然では？

今レーザはパルスかCWか知りませんが、パルスにして、レーザーのパルスとカメラのシャッターのタイミングを徐々にずらして撮影すると、面白いものが撮れるような気がします。

お礼

ご回答ありがとうございます。
レーザはパルス、CW共に観測しておりますが、パワーが小さいと同じようなことが生じます。

>ノズルからガスを噴出させたときには、ガスは一定の流速で流れるから、棒状のガラスを挿入したときのように流速方向に縦に集光される。
>レーザを照射したときは、ブルームは球状に(というか、火の玉状に)湧き上がるから、(尻尾のついた)一点に集光される。

スミマセン、集光とはどういう状態を指すのでしょうか？
書き損ねましたが、干渉縞だけでなく普通にプルームを観察するとキノコ雲状の火炎（プラズマ？）が見えます。
ただし、添付の画像は火の玉が見えないところ（試料面より上空）での干渉縞模様です。
火炎は観測光学系によって大きさや輝度が変わるため、その影響を避けるという意味でも干渉計による観察は有効であると考えています。