Глава 3.5. Интерференция света

Интерференция света - явление возникающее при взаимодействии когерентных световых волн и заключающееся в том что появляется новая результирующая волна. При этом образуется пространственное распределение интенсивности света в виде чередующихся максимумов и минимумов освещенности называемое интерференционной картиной: При монохроматическом свете интерференционная картина в общем случае наблюдается в виде темных и светлых полос или колец а при сложном белом свете - в виде цветных полос или колец.

Когерентными называются такие световые волны которые имеют одинаковую частоту и постоянную разность фаз на протяжении времени достаточного для наблюдения.

При взаимодействии когерентных волн амплитуды результирующей световой волны зависят от разности ходаэтих волн. Разность хода двух волн — это разность оптических путей этих волн от когерентного источника света до точки их взаимодействия.

Амплитуда будет максимальной если D равна четному числу полуволн

т.е. = ± 2k0/2 (k = 0 1 2...)

тогда амплитуда А результирующей волны III равна сумме амплитуд первой (I) и второй (II) интерферирующих волн A1+A2 что соответствует максимальной интенсивности света.

Если же равна нечетному числу полуволн

т.е. = ±(2k + 1)0/2 (k = 0 1 2...)

то амплитуда результирующей волны будет минимальной A=A1-A2.

Различают два вида интерференционных картин: 1) полосы равного наклона; 2) полосы равной толщины.

Полосы равного наклона возникают при прохождении излучения через плоскопараллельную пластину при переменном значении угла падения в и постоянной толщине пластины d. Разность хода интерферирующих лучей в этом случае будет зависеть от угла падения. Полосы равного наклона локализованы в бесконечности и поэтому могут наблюдаться через зрительную трубу или на экране в фокальной плоскости объектива. На рис. 5 два параллельных когерентных луча образованных от первичного луча за счет отражения от первой и второй поверхностей пластины обладают разностью хода зависящей от угла падения. Эти лучи собираются объективом ОБ на экране в фокальной точке М где интерферируют. Так как от протяженного источника света лучи падающие на пластину под одинаковым углом образуют конус то на экране будет видна интерференционная картина в виде колец.

Если интерференционная картина наблюдается в монохроматическом свете на экране видны чередующиеся светлые и темные кольца; если в белом свете то видна система цветных колец.

Полосы равной толщины создаются при прохождении оптического излучения через плоскопараллельную пластину при одинаковом угле падения световых лучей и переменной толщине d этой пластины. Разность хода лучей в этом случае будет зависеть от толщины пластины. На поверхности пластины возникает интерференционная картина в виде чередующихся полос расположенных параллельно ребру клина. Полосы равной толщины локализованы на поверхности пластины и их можно рассматривать невооруженным глазом через лупу микроскоп или на экране с помощью проекционного устройства.

Интерференция света в виде полос равной толщины наблюдается в пленках и тонких стеклянных пластинках. Световые лучи отражаясь от верхней и нижней поверхностей пленки интерферируют.Там где разность хода интерферирующих лучей равна четному числу полуволн возникают максимумы а где разность хода равна нечетному числу полуволн - минимумы.

При освещении белым светом интерференционная картина представляет собой разноцветные полосы. Этим объясняются радужная окраска пятен масла и нефти на воде цвета побежалости при закалке металлов и др.

Явление интерференции в тонких пленках называется цветами тонких пленок.

 

Глава 3.6. Дифракция света

 

 

При прохождении света через отверстия и препятствия незначительных размеров узкие щели а также мимо краев каких-либо тел происходит нарушение прямолинейности его распространения.

Явление отклонения света от прямолинейности его распространения проявляющееся в огибании краев препятствий называется дифракцией света. При этом происходит искажение фронта световой волны. Световые лучи изменившие прямолинейное направление называются дифрагированными.

Первоначальным теоретическим обоснованием дифракции света явился принцип Гюйгенса. Согласно этому принципу каждая точка пространства которой достигла в данный момент распространяющаяся волна становится источником элементарных сферических волн. Огибающая элементарных волн образует волновую поверхность в следующий момент времени. Это приводит к неизбежности отклонения световой волны от прямолинейного распространения при встрече с препятствием.

Гюйгенс рассматривал дифракцию только с позиций геометрической оптики. Френель дополнил принцип Гюйгенса понятиями когерентности элементарных воли и их интерференции. Принцип Гюйгенса с дополнениями Френеля получил название принципа Гюйгенса - Френеля. На этом принципе базируется элементарная теория дифракции света.

Принцип Гюйгенса - Френеля раскрывает законы распространения волнового фронта и распределение интенсивности в дифракционной картине. Максимумы интенсивности (свет) наблюдаются в тех местах где взаимодействующие элементарные волны усиливают друг друга минимумы интенсивности (темнота или ослабление света) - там где взаимодействующие элементарные волны гасят друг друга.

В результате интерференции диафрагмированных лучей возникает характерная дифракционная картина: дифракционное изображение точки при наблюдении в белом свете окружено цветными полосами или кольцами. В зависимости от формы волнового фронта различают дифракцию наблюдаемую в сходящихся пучках световых лучей со сферическим волновым фронтом - дифракцию Френеля и дифракцию наблюдаемую в параллельных пучках световых лучей с плоским волновым фронтом - дифракцию Фраунгофера.

При прохождении монохроматического света от точечного источника через небольшое круглое отверстие в результате интерференции дифрагированных лучей на экране расположенном за отверстием наблюдается дифракционная картина в виде чередующихся темных и светлых концентрических колец. В центре дифракционной картины в зависимости от размеров экрана может быть темное или светлое пятно. Если отверстие в экране будет иметь вид щели то в плоскости наблюдения получатся чередующиеся светлые и темные полосы. Яркость полос убывает от середины к краям. При освещении экрана белым светом дифракционная картина имеет радужную окраску.

Дифракция ограничивает разрешающую способность оптических систем. В реальных оптических системах вследствие дифракции света изображение точки в монохроматическом свете представляет собой кружок с центральным светлым ядром окруженным светлыми кольцами а в белом свете — кружок со светлым ядром окруженным радужно окрашенными кольцами. Поскольку предмет есть совокупность точек его изображение также будет состоять из соответствующих дифракционных изображений точек. Если две точки находятся на близком расстоянии одна от другой их дифракционные изображения могут взаимно перекрываться и сливаться. Способность оптической системы давать раздельно изображения двух близко расположенных друг к другу точек предмета называется разрешающей способностью. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками при котором они наблюдаются раздельно называется линейным пределом разрешения rN или угловым пределом разрешения.На использовании явления дифракции основано действие спектральных приборов дифракционной решетки и т.д.Дифракционная решетка - оптическая деталь являющаяся основным диспергирующим элементом спектральных приборов. Дифракционные решетки делятся на прозрачные и отражательные. Прозрачные дифракционные решетки работают в проходящем свете отражательные - в отраженном.