8/13/2019 The Ruling and Performance of a Ten-Inch Diffraction Grating _ Michelson a.a. _ 1915 Out of Copyright Article

1/5

P H Y S I C S : A . A . MICHELSONa r e r i f t s o r o p e n i n g s i n a l u m i n o u s b a c k g r o u n d w h i c h l o o k o u t i n t o t h eb l a c k n e s s o f s p a c e b e y o n d . From i n v e s t i g a t i o n s e l s e w h e r e i n t h e s k y ,I l e a n t o w a r d s t h e i d e a t h a t t h e s e a r e r e l a t i v e l y n o n - l u m i n o u s , o p a q u eb o d i e s , s e e n a g a i n s t a l u m i n o u s b a c k g r o u n d .

THE RULING AND PERFORMANCE OF A TEN-INCHDIFFRACTION GRATINGB y A . A . M i c h e l s o n

RYERSON PHYSICAL LABORATORY UNIVERSITY OF CHICAGOP r e s e n t e d t o t h e A c a d e m y , M a y 1 3 , 1 9 1 5T h e p r i n c i p a l e l e m e n t i n t h e e f f i c i e n c y o f a n y s p e c t r o s c o p i c a p p l i a n c ei s i t s r e s o l v i n g p o w e r - t h a t i s , t h e p o w e r t o s e p a r a t e s p e c t r a l l i n e s .T h e l i m i t o f r e s o l u t i o n i s t h e r a t i o o f t h e s m a l l e s t d i f f e r e n c e o f w a v el e n g t h j u s t d i s c e r n a b l e t o t h e mean w a v e - l e n g t h o f t h e p a i r o r g r o u p .I f a p r i s m c a n j u s t s e p a r a t e o r r e s o l v e t h e d o u b l e y e l l o w l i n e o f s o d i u mi t s l i m i t o f r e s o l u t i o n w i l l b e ( 5 8 9 6 - 5 8 9 0 ) / 5 8 9 3 o r a p p r o x i m a t e l y o n eo n e - t h o u s a n d t h , a n d t h e r e s o l v i n g p o w e r i s c a l l e d o n e t h o u s a n d .U n t i l F r a u n h o f e r 1 8 2 1 ) s h o w e d t h a t l i g h t c o u l d b e a n a l y s e d i n t oi t s c o n s t i t u e n t c o l o r s b y d i f f r a c t i o n g r a t i n g s t h e s e a n a l y s e s w e r e e f f e c t e db y p r i s m s t h e r e s o l v i n g p o w e r o f w h i c h h a s b e e n g r a d u a l l y i n c r e a s e dt o a b o u t t h i r t y t h o u s a n d . T h i s l i m i t w a s e q u a l e d i f n o t s u r p a s s e d b yt h e e x c e l l e n t g r a t i n g s o f R u t h e r f o r d o f New Y o r k , r u l e d b y a d i a m o n dp o i n t o n s p e c u l u m m e t a l , w i t h s o m e t h i n g l i k e 2 0 , 0 0 0 l i n e s , w i t h s p a c i n go f 5 0 0 t o 1 0 0 0 l i n e s t o t h e m i l l i m e t e r . T h e s e w e r e s u p e r s e d e d b y t h es u p e r b g r a t i n g s o f R o w l a n d w i t h s o m e t h i n g o v e r o n e h u n d r e d t h o u s a n dl i n e s , a n d w i t h a r e s o l v i n g p o w e r o f 1 5 0 , 0 0 0 .T h e t h e o r e t i c a l r e s o l v i n g p o w e r o f a g r a t i n g i s g i v e n a s w a s f i r s t s h o w n

b y L o r d R a y l e i g h b y t h e f o r m u l a R = m n , i n w h i c h n i s t h e t o t a l n u m b e ro f l i n e s , a n d m t h e o r d e r o f t h e s p e c t r u m . An e q u i v a l e n t e x p r e s s i o n i sf u r n i s h e d b y R = s i n i s i n 0 , w h e r e I i s t h e t o t a l l e n g t h o f t h er u l e d s u r f a c e , X t h e w a v e - l e n g t h o f t h e l i g h t , i t h e a n g l e o f i n c i d e n c e ,a n d 0 t h e a n g l e o f d i f f r a c t i o n ; a n d t h e maximum r e s o l v i n g p o w e r w h i c ha g r a t i n g c a n h a v e i s t h a t c o r r e s p o n d i n g t o i a n d 0 e a c h e q u a l t o 9 0 w h i c h g i v e s R = 2 I / X . t h a t i s t w i c e t h e n u m b e r o f l i g h t w a v e s i n t h ee n t i r e l e n g t h o f t h e r u l e d s u r f a c e .

T h i s s h o w s t h a t n e i t h e r t h e c l o s e n e s s o f t h e r u l i n g s n o r t h e i r t o t a ln u m b e r d e t e r m i n e t h i s t h e o r e t i c a l l i m i t , a n d e m p h a s i z e s t h e i m p o r t a n c eo f a l a r g e r u l e d s p a c e .

3 9 6

8/13/2019 The Ruling and Performance of a Ten-Inch Diffraction Grating _ Michelson a.a. _ 1915 Out of Copyright Article

2/5

P H Y S I C S : A . A . MICHELSONT h i s t h e o r e t i c a l l i m i t c a n b e r e a c h e d , h o w e v e r , o n l y o n t h e c o n d i t i o no f a n e x t r a o r d i n a r y d e g r e e o f a c c u r a c y i n t h e s p a c i n g o f t h e l i n e s .S e v e r a l m e t h o d s f o r s e c u r i n g t h i s d e g r e e o f a c c u r a c y h a v e b e e n a t t e m p t e db u t n o n e h a s p r o v e d a s e f f e c t i v e a s t h e s c r e w . T h i s m u s t b e o f u n i -f o r m p i t c h t h r o u g h o u t a n d t h e p e r i o d i c e r r o r s m u s t b e e x t r e m e l y s m a l l .F o r a s h o r t s c r e w f o r e x a m p l e , o n e s u f f i c i e n t f o r a g r a t i n g t w o i n c h e si n l e n g t h , t h e p r o b l e m i s n o t v e r y d i f f i c u l t b u t a s t h e l e n g t h o f t h es c r e w i n c r e a s e s t h e d i f f i c u l t y i n c r e a s e s i n m u c h m o r e r a p i d p r o p o r t i o n .I t w a s s o l v e d b y R o w l a n d i n s o m e t h i n g o v e r t w o y e a r s .S i n c e t h i s t i m e m a n y p r o b l e m s h a v e a r i s e n w h i c h d e m a n d a h i g h e rr e s o l v i n g p o w e r t h a n e v e n t h e s e g r a t i n g s c o u l d f u r n i s h . A m o n g t h e s ei s t h e r e s o l u t i o n o f d o u b l e s a n d g r o u p s o f l i n e s w h o s e c o m p l e x i t y w a su n s u s p e c t e d u n t i l r e v e a l e d b y t h e i n t e r f e r o m e t e r a n d a m p l y v e r i f i e db y s u b s e q u e n t o b s e r v a t i o n s b y t h e e c h e l o n a n d o t h e r m e t h o d s .O t h e r s t h a t m a y b e m e n t i o n e d i n t h i s c o n n e c t i o n a r e t h e s t u d y o ft h e d i s t r i b u t i o n o f i n t e n s i t i e s w i t h i n t h e s p e c t r a l l i n e s ; t h e i r b r o a d e ni n g a n d d i s p l a c e m e n t w i t h t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e ; t h e e f f e c t o fm a g n e t i c a n d e l e c t r i c f i e l d s , a n d t h e m e a s u r e m e n t o f m o t i o n s i n t h el i n e o f s i g h t , a s r e v e a l e d b y c o r r e s p o n d i n g d i s p l a c e m e n t o f t h e s p e c t r a ll i n e s i n c o n s e q u e n c e o f t h e D o p p l e r e f f e c t .A l l o f t h e s e h a v e b e e n a t t a c k e d w i t h c o n s i d e r a b l e s u c c e s s b y o b s e r -v a t i o n s w i t h t h e e c h e l o n , t h e i n t e r f e r o m e t e r a n d t h e p l a n e - p a r a l l e lp l a t e . T h e s e m e t h o d s h a v e a v e r y h i g h r e s o l v i n g p o w e r , b u t l a b o ru n d e r t h e s e r i o u s d i s a d v a n t a g e t h a t a d j a c e n t s u c c e e d i n g s p e c t r a o v e rl a p m a k i n g i t d i f f i c u l t t o i n t e r p r e t t h e r e s u l t s w i t h c e r t a i n t y .S o m e t w e l v e y e a r s a g o t h e c o n s t r u c t i o n o f a r u l i n g e n g i n e w a s u n d e rt a k e n w i t h t h e h o p e o f r u l i n g g r a t i n g s o f f o u r t e e n i n c h e s f o r w h i c h as c r e w o f s o m e t h i n g o v e r t w e n t y i n c h e s i s n e c e s s a r y . T h i s s c r e w w a sc u t i n a s p e c i a l l y c o r r e c t e d l a t h e s o t h a t t h e o r i g i n a l e r r o r s w e r e n o t

v e r y l a r g e , a n d t h e s e w e r e r e d u c e d b y l o n g a t t r i t i o n w i t h v e r y f i n em a t e r i a l u n t i l i t w a s j u d g e d t h a t t h e r e s i d u a l e r r o r s w e r e s u f f i c i e n t l ys m a l l t o b e a u t o m a t i c a l l y c o r r e c t e d d u r i n g t h e p r o c e s s o f r u l i n g .T h e p r i n c i p a l c l a i m t o n o v e l t y o f t r e a t m e n t o f t h e p r o b l e m l i e s i nt h e a p p l i c a t i o n o f i n t e r f e r e n c e m e t h o d t o t h e m e a s u r e m e n t a n d c o r -r e c t i o n o f t h e s e r e s i d u a l e r r o r s .F o r t h i s p u r p o s e o n e o f t h e i n t e r f e r o m e t e r m i r r o r s i s - f i x e d t o t h eg r a t i n g c a r r i a g e , w h i l e a s t a n d a r d , c o n s i s t i n g o f t w o m i r r o r s a t a f i x e dd i s t a n c e a p a r t , i s a t t a c h e d t o a n a u x i l i a r y c a r r i a g e . When t h e a d -j u s t m e n t i s c o r r e c t f o r t h e f r o n t s u r f a c e o f t h e s t a n d a r d , : i n t e r f e r e n c e -f r i n g e s a p p e a r . T h e g r a t i n g c a r r i a g e i s now m o v e d t h r o u g h t h e l e n g t ho f t h e s t a n d a r d o n e - t e n t h o f a m i l l i m e t e r i f t h e p e r i o d i c e r r o r i s t o b e

3 9 7

8/13/2019 The Ruling and Performance of a Ten-Inch Diffraction Grating _ Michelson a.a. _ 1915 Out of Copyright Article

3/5

P H Y S I C S : A . A . MICHELSONi n v e s t i g a t e d ; t e n o r m o r e m i l l i m e t e r s i f t h e e r r o r o f r u n i s t o b e d e -t e r m i n e d ) w h e n t h e i n t e r f e r e n c e f r i n g e s a p p e a r o n t h e r e a r s u r f a c e .T h i s o p e r a t i o n i s r e p e a t e d , t h e d i f f e r e n c e f r o m e x a c t c o i n c i d e n c e o f t h ec e n t r a l ( a c h r o m a t i c ) f r i n g e w i t h a f i d u c i a l m a r k b e i n g m e a s u r e d a t e a c hs t e p i n t e n t h s o f a f r i n g e t w e n t i e t h s o f a l i g h t - w a v e ) . A s a w h o l ef r i n g e c o r r e s p o n d s t o o n e h u n d r e d t h o u s a n d t h o f a n i n c h , t h e m e a s u r ement i s c o r r e c t t o w i t h i n a m i l l i o n t h o f a n i n c h .

T h e c o r r e s p o n d i n g c o r r e c t i o n f o r p e r i o d i c e r r o r s i s t r a n s f e r r e d t o t h eworm w h e e l w h i c h t u r n s t h e s c r e w ; a n d f o r e r r o r s o f r u n t o t h e n u tw h i c h m o v e s t h e c a r r i a g e . I n t h i s w a y t h e f i n a l e r r o r s h a v e b e e n a l -m o s t c o m p l e t e l y e l i m i n a t e d a n d t h e r e s u l t i n g g r a t i n g s h a v e v e r yn e a r l y r e a l i z e d t h e i r t h e o r e t i c a l e f f i c i e n c y .

1 0 - i n c h d i f f r a c t i o n g r a t i n g i n s i x t h o r d e r . S c a l e : 1 d i v i s i o n = 0 . O 1 A . U . R u l e d s u r f a c e ,9 j x 2 3 i n c h e s , 1 1 7 0 0 l i n e s p e r i n c h . M o u n t e d i n L i t t r o w f o r m w i t h 8 - i n c h l e n s b yB r a s h e a r . F o c a l l e n g t h , 2 0 f e e t .A n u m b e r o f m i n o r p o i n t s m a y b e m e n t i o n e d w h i c h h a v e c o n t r i b u t e dt o t h e s u c c e s s o f t h e u n d e r t a k i n g . a ) T h e w a y s w h i c h g u i d e t h e g r a t i n g c a r r i a g e a s w e l l a s t h o s e w h i c hc o n t r o l t h e m o t i o n o f t h e r u l i n g d i a m o n d m u s e e u e dter trthesew e r e s t r a i g h t e n e d b y a p p l i c a t i o n o f a n a u t o - c o l l i m a t i n g d e v i c e w h i c hmade t h e d e v i a t i o n f r o m a s t r a i g h t l i n e l e s s t h a n a s e c o n d o f a r c . b ) T h e f r i c t i o n o f t h e g r a t i n g c a r r i a g e o n t h e w a y s w a s d i m i n i s h e dt o a b o u t o n e t e n t h o f t h a t d u e t o t h e w e i g h t ( w h i c h m a y amount t ot w e n t y t o f o r t y p o u n d s ) b y f l o a t i n g o n m e r c u r y . c T h e l o n g i t u d i n a l m o t i o n o f t h e s c r e w w a s p r e v e n t e d b y a l l o w -i n g i t s s p h e r i c a l l y r o u n d e d e n d t o r e s t a g a i n s t a n o p t i c a l l y p l a n e s u r f a c eo f d i a m o n d w h i c h c o u l d b e a d j u s t e d n o r m a l t o t h e a x i s o f t h e s c r e w .

3 9 8

8/13/2019 The Ruling and Performance of a Ten-Inch Diffraction Grating _ Michelson a.a. _ 1915 Out of Copyright Article

4/5

P H Y S / C S : A . A . MCHELSON d ) T h e s c r e w w a s t u r n e d b y a worm w h e e l i n s t e a d o f p a w l a n dr a t c h e t ) w h i c h p e r m i t s a s i m p l e a n d e f f e c t i v e c o r r e c t i o n o f t h e p e r i o d i c ,e r r o r s o f t h e s c r e w t h r o u g h o u t i t s w h o l e l e n g t h . e ) A c o r r e c t i n g d e v i c e w h i c h e l i m i n a t e s p e r i o d i c e r r o r s o f h i g h e ro r d e r s . f ) I t m a y b e a d d e d t h a t t h e n u t w h i c h a c t u a t e s t h e c a r r i a g e h a db e a r i n g s u r f a c e s o f s o f t m e t a l t i n ) i n s t e a d o f w o o d , a s i n p r e c e d i n gm a c h i n e s . I t w a s n o t f o u n d n e c e s s a r y t o u n c l a m p t h e n u t i n b r i n g i n gi t b a c k t o t h e s t a r t i n g p o i n t .F i n a l l y i t m a y b e n o t e d t h a t i n s t e a d o f a t t e m p t i n g t o e l i m i n a t e t h ee r r o r s o f t h e s c r e w - b y l o n g c o n t i n u e d g r i n d i n g w h i c h i n e v i t a b l y l e a d st o a r o u n d i n g o f t h e t h r e a d s i t h a s b e e n t h e m a i n o b j e c t t o m a k e t h e s ee r r o r s c o n v e n i e n t l y s m a l l ; b u t e s p e c i a l l y t o m a k e t h e m c o n s t a n t f o ro n t h i s c o n s t a n c y d e p e n d s t h e p o s s i b i l i t y o f a u t o m a t i c c o r r e c t i o n .T h e a c c o m p a n y i n g p h o t o g r a p h m a d e w i t h a 1 0 - i n c h g r a t i n g s i x t ho r d e r , ( a c t u a l r u l e d s u r f a c e 9 . 4 i n c h e s b y 2 8 i n c h e s ) , u s e d i n t h e L i t t r o rf o r m w i t h a n e x c e l l e n t 8 - i n c h l e n s b y B r a s h e a r , i s g i v e n i n e v i d e n c e o fi t s p e r f o r m a n c e . T h e r e s o l v i n g p o w e r a s s h o w n b y t h e a c c o m p a n y i n g ,s c a l e o f a n g s t r o m u n i t s i s a b o u t 4 5 0 , 0 0 0 . T h e o r i g i n a l n e g a t i v e s h o w sa r e s o l v i n g p o w e r o f a b o u t 6 0 0 , 0 0 0 . T h e t h e o r e t i c a l v a l u e i s a b o u t6 6 0 , 0 0 0 .D o u b t l e s s t h e p o s s i b i l i t y o f r u l i n g a p e r f e c t g r a t i n g b y m e a n s o f t h el i g h t - w a v e s o f a h o m o g e n e o u s s o u r c e h a s o c c u r r e d t o m a n y a n di n d e e d t h i s w a s o n e o f t h e m e t h o d s f i r s t a t t e m p t e d .I t m a y s t i l l p r o v e e n t i r e l y f e a s i b l e a n d i s s t i l l h e l d i n r e s e r v e i f s e r i -o u s d i f f i c u l t y i s e n c o u n t e r e d i n an a t t e m p t now i n p r o g r e s s t o p r o d u c eg r a t i n g s o f t w e n t y i n c h e s o r m o r e . S u c h a m e t h o d m a y b e m a d e p a r t l yo r p e r h a p s c o m p l e t e l y a u t o m a t i c , a n d w o u l d b e i n d e p e n d e n t o f s c r e w so r o t h e r i n s t r u m e n t a l a p p l i a n c e s .

I t m a y b e p o i n t e d o u t t h a t a n e v e n s i m p l e r a n d m o r e d i r e c t a p p l i -c a t i o n o f l i g h t - w a v e s f r o m a h o m o g e n e o u s s o u r c e i s t h e o r e t i c a l l yp o s s i b l e a n d p e r h a p s e x p e r i m e n t a l l y r e a l i z a b l e .I f a p o i n t s o u r c e o f s u c h r a d i a t i o n s s e n d s i t s l i g h t - w a v e s t o a c o l l i -m a t i n g l e n s a n d t h e r e s u l t i n g p l a n e w a v e s a r e r e f l e c t e d a t n o r m a l i n c i d -e n c e f r o m a p l a n e s u r f a c e , s t a t i o n a r y w a v e s w i l l b e s e t u p a s i n t h eL i p p m a n p l a t e s ; t h e s e w i l l i m p r e s s a n i n c l i n e d p h o t o g r a p h i c p l a t ew i t h p a r a l l e l l i n e s a s i n t h e e x p e r i m e n t o f W i e n e r ; a n d t h e o n l y l i m i tt o t h e r e s o l v i n g p o w e r o f t h e r e s u l t i n g g r a t i n g i s t h a t w h i c h d e p e n d s o nt h e d e g r e e o f h o m o g e n e i t y o f t h e l i g h t u s e d . A s s o m e o f t h e c o n s t i t u -e n t s o f t h e r a d i a t i o n s o f m e r c u r y h a v e b e e n s h o w n t o b e c a p a b l e o f

3 9 9 -

8/13/2019 The Ruling and Performance of a Ten-Inch Diffraction Grating _ Michelson a.a. _ 1915 Out of Copyright Article

5/5

P H Y S I C S : A . L . PARSONi n t e r f e r i n g w i t h d i f f e r e n c e o f p a t h o f o v e r a m i l l i o n w a v e s , s u c h a g r a t i n gw o u l d h a v e a r e s o l v i n g p o w e r e x c e e d i n g a m i l l i o n .T h i s i n v e s t i g a t i o n h a s h a d a s s i s t a n c e f r o m t h e B a c h e F u n d o f t h eN a t i o n a l A c a d e m y o f S c i e n c e , f r o m t h e C a r n e g i e I n s t i t u t i o n , a n d f r o mt h e U n i v e r s i t y o f C h i c a g o . I n a d d i t i o n t o t h e g r a t e f u l a c k n o w l e d g e -m e n t t o t h e s e i n s t i t u t i o n s I w o u l d a d d m y h i g h a p p r e c i a t i o n o f t h ef a i t h f u l s e r v i c e s r e n d e r e d b y M e s s r s . J u l i u s P e a r s o n a n d F r e d P e a r s o n .

A HIGHLY S E N S I T I V E ELECTROMETERB y A . L . P a r s o nCHEMICAL LABORATORY. UNIVERSITY OF CALIFORNIA

P r e s e n t e d t o t h e A c a d e m y . J u n e 3 , 1 9 1 5I n t h i s i n s t r u m e n t t h e p r i n c i p l e o f w o r k i n g i n a c o n d i t i o n a p p r o a c h i n gi n s t a b i l i t y i s u s e d t o i n c r e a s e g r e a t l y t h e s e n s i t i v e n e s s o f t h e q u a d r a n te l e c t r o m e t e r , w h i c h , e v e n i n i t s o r d i n a r y f o r m , i s m o r e s e n s i t i v e t h a no t h e r e l e c t r o m e t e r s i n w h i c h t h i s c o n d i t i o n o f i n s t a b i l i t y h a s b e e n e mp l o y e d . T h e b o x - s h a p e d q u a d r a n t s a r e r e p l a c e d b y f l a t s e c t o r s s u b t e n di n g a b o u t 7 0 e a c h a t t h e c e n t r e a n d a r r a n g e d: ^ s t a s s h o w n i n t h e f i g u r e . B e c a u s e o f t h e t w o/ l a r g e g a p s b e t w e e n A a n d B , a n d b e t w e e n A6 J I V 1 B a n d B , t h e n e e d l e h a n g s s t a b l y , as s h o w n b ys ] \ t h e d o t t e d l i n e s , b y v i r t u e o f e l e c t r i c f o r c e s| q u i t e a p a r t f r o m t h e t o r s i o n o f t h e s u s p e n -s i o n . I n c i d e n t a l l y , t h i s m a k e s i t p o s s i b l e t o\B A u s e a t o r s i o n l e s s s u s p e n s i o n o r a f l o a t f o r t h ei > j t ^ n e e d l e , w h i c h l a t t e r h a s b e e n t r i e d w i t h s o m es u c c e s s . ) I f now a p o t e n t i a l - d i f f e r e n c e i s s e tA HIGHLY S E N S I T I V EE L E C T R O M E T E R u p b e t w e e n A A a n d B B t h e n e e d l e i s d e f l e c t e d ,

a t f i r s t n e a r l y p r o p o r t i o n a t e l y t o t h e p o t e n t i a ld i f f e r e n c e , a n d t h e n l e s s a n d l e s s a s t h e l a r g e g a p s a r e a p p r o a c h e d .T h e a p p r o a c h t o i n s t a b i l i t y a n d h e n c e a n i n c r e a s e i n s e n s i t i v e n e s s i sb r o u g h t a b o u t b y m e a n s o f a m e c h a n i c a l d e v i c e , w h i c h o n t u r n i n g am i c r o m e t e r s c r e w c a n b e m a d e t o w i d e n t h e s m a l l g a p s b e t w e e n A a n dB a n d b e t w e e n A a n d B , t h u s m a k i n g t h e n e e d l e l e s s a n d l e s s s t a b l ei n i t s c e n t r a l s y m m e t r i c a l p o s i t i o n . I n t h i s w a y t h e s e n s i t i v i t y w h i c hi n t h e l e a s t s e n s i t i v e c o n d i t i o n i s a b o u t 3 mm. p e r m i l l i v o l t a t a s c a l ed i s t a n c e o f 5 m e t r e s c a n b e r a i s e d t o a s m u c h a s 6 0 mm. p e r m i l l i v o l te a s i l y , a n d w i t h s o m e c a r e e v e n t o 1 5 0 mm. p e r m i l l i v o l t .A m o s t i m p o r t a n t f e a t u r e o f t h e i n s t r u m e n t i s t h a t , o n a c c o u n t o f t h er e l a t i v e u n i m p o r t a n c e o f t h e t h i c k n e s s o f t h e q u a r t z s u s p e n s i o n , t h e

4 0 0