Практическое применение интерференции света

Явление интерференции находит широкое практическое применение. Исследуя, например, интерференционную картину «полосы равной толщины» можно измерять малые углы клиновых деталей, диаметры очень тонких проволочек, а также контролировать качество обработки поверхности (ведь мельчайшая шероховатость на поверхности клина приведет к искажению интерференционной картины). Кроме того, рассчитывая интерференционные картины в различных опытах, можно довольно точно определять длину волны света, показатель преломления среды, радиус кривизны линзы и многие другие параметры. В технике также широко применяют оптические измерительные приборы, основанные на явлении интерференции – интерферометры.

Рис. 3.10

Остановимся кратко на одном из практических применений интерференции – просветлении оптики. Современные оптические приборы содержат много различных линз, проходя через которые, свет испытывает многократное отражение, вследствие чего ослабляется интенсивность прошедшего света. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению эффективности использования оптического прибора. Кроме того, вышеупомянутое многократное отражение света приводит к возникновению бликов. Чтобы устранить эти недостатки на поверхности линз наносят тонкие «просветляющие» пленки, показатель n _пл преломления которых, меньше, чем показатель n _л преломления линз (рис. 3.10). Кроме того эти пленки имеют малый коэффициент отражения. Толщина «просветляющей» пленки подбирается так, чтобы при интерференции световых волн 1 и 2 (см. рис. 3.10), отраженных от поверхностей пленки и линзы, они гасили друг друга.

Рассмотрим нормальное падение света на поверхность пленки. Так как отражение волн 1 и 2 происходит от оптически более плотных сред, то их оптическую разность хода можно записать, как . Приравнивая оптическую разность хода к условию минимума, находим минимальную толщину пленки (при m = 0), при которой отраженные от пленки световые волны гасят друг друга

                                                   ,                                          (3.17)

где n – показатель преломления пленки.

Поскольку на объективы фотоаппаратов падает белый свет, то невозможно с помощью просветляющей пленки добиться одновременного гашения всех длин волн, составляющих его. Толщину пленки подбирают так, чтобы она гасила лучи с l₀ = 555 нм (зеленый цвет), к которым наиболее всего восприимчив глаз человека. «Просветленные» таким образом объективы фотоаппаратов кажутся в белом свете голубовато–красными.

Вопросы и задания для самоконтроля к лекции 9

1. Сформулируйте определение полос равной толщины и равного наклона.

2. Световая волна падает на стеклянную пластинку с показателем преломления n из воздуха (см. рис.). Используя обозначения указанные на рисунке, запишите оптическую разность хода лучей выходящих из пластинки.

3. Тонкую пленку освещают белым светом. Вследствие явления интерференции в отраженном свете наблюдается зеленый цвет. Каким будет ее цвет при уменьшении толщины

4. Монохроматический пучок света (l = 600 нм) падает по нормали на стеклянный клин с углом  при его вершине. Рассчитайте количество светлых интерференционных полос, приходящихся на 1 см длины клина и наблюдаемых в отраженном свете.

5. Объясните явление просветление оптических стекол. На поверхность объектива (n _об = 1,5) нанесена тонкая пленка (n _пл < n _об) толщиной 110 нм, на которую нормально падает монохроматический свет (l = 600 нм). Найдите значение n _пл показателя преломления пленки, при котором она будет «просветляющей» для света указанной длины волны.

 

 

Лекция 10

Основные понятия и законы, которые должны быть освоены в ходе лекции: дифракция, принцип Гюйгенса – Френеля, зоны Френеля и их свойства; расчет амплитуды и интенсивности световой волны в точке наблюдения; дифракция Френеля на отверстии и на диске; зонные пластинки.

Дифракция

Дифракция света – комплекс явлений, наблюдаемых при распространении световой волны в среде с резкими оптическими неоднородностями и связанных с нарушением законов геометрической оптики: в результате дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения и, огибая препятствия, оказывается в области геометрической тени. При этом наблюдается пространственное перераспределение интенсивности световой волны – интерференция. Для наблюдения дифракции необходимо, чтобы размеры оптических неоднородностей (преград, экранов, щелей) были соизмеримы с длиной световой волны.

Для объяснения дифракции используют принцип Гюйгенса – Френеля (сформулирован в 1815 г.), в соответствии с которым каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, когерентных между собой. Огибающая этих волн определяет положение волнового фронта в следующий момент времени. В случае распространения света в однородной изотропной среде, вторичные когерентные волны являются сферическими.

Вторичные когерентные волны, накладываясь друг на друга, интерферируют между собой. Учитывая амплитуды и фазы вторичных волн, можно рассчитать амплитуду результирующей волны в любой точке пространства.

В качестве примера объяснения дифракции на основе принципа Гюйгенса – Френеля, рассмотрим преграду с узкой щелью, на которую падает плоская волна (рис. 3.11).

Рис. 3.11

В момент времени  фронт волны находится в этой щели и его каждая точка является источником вторичных когерентных сферических волн, проходящих за время dt расстояние . Положение фронта волны в момент времени  находится, как огибающая фронтов вторичных волн. Поскольку скорость волны в каждой точке волнового фронта перпендикулярна к нему, то имеются участки фронта волны, обеспечивающие проникновение света в область геометрической тени (см. рис. 3.11). Если размеры этих участков фронта волны соизмеримы с размерами щели, то дифракция света будет наблюдаться. Если же они существенно меньше размеров щели, то свет будет проходить через щель в соответствии с законами геометрической оптики, а явление дифракции будет не заметно [5].

Метод зон Френеля

Рассмотрим точечный источник света S, от которого в однородной среде распространяется сферическая волна, возбуждающая в точке P световое колебание (рис. 3.12).

Рис. 3.12

Для нахождения амплитуды световой волны в точке P воспользуемся принципом Гюйгенса – Френеля. Пусть a = 0 S – расстояние от точечного источника S света до волнового фронта, а b = 0 P – расстояние от фронта волны до точки наблюдения P. Френель разбил волновой фронт на кольцевые зоны – зоны Френеля, построенные так, что расстояния от краев соседних зон до точки наблюдения P отличаются на  (l – длина световой волны в той среде, в которой распространяется волна).

Рис. 3.13

Выражая радиус r_m произвольной зоны Френеля с номером m, с помощью теоремы Пифагора из D SAB и D ABP, и учитывая, что высота сферического сегмента h мала (см. рис. 3.13) получим:

                                                 .                                        (3.18)

Если волна плоская (источник света удален на бесконечность: ), то радиус r_m зоны Френеля с номером m может быть выражен:

                                                                             (3.19)

Расчеты показывают, что на полностью открытом волновом фронте укладывается огромное количество зон Френеля, причем площади всех зон примерно одинаковы. Однако, с увеличением номера зоны Френеля, уменьшается ее угловой размер (угол, под которым эта зона видна из точки наблюдения) и увеличивается расстояние от нее до точки наблюдения P. Все это приводит к тому, что с увеличением номера зоны амплитуда А _m колебания, возбуждаемого вторичной волной, приходящей от зоны Френеля с номером m, в точке P уменьшается. Таким образом, для амплитуд колебаний, возбуждаемых в точке P наблюдения зонами Френеля, справедливы неравенства

Кроме того амплитуда световой волны, приходящей в точку наблюдения от зоны с номером m может быть выражена в виде

.

Учтем, что согласно построению зон Френеля, волны, приходящие в точку наблюдения P от соседних зон, имеют оптическую разность хода  (что соответствует разности фаз, равной π) и, в соответствии с условием интерференционного минимума, ослабляют друг друга. Поэтому амплитуду результирующей световой волны в точке P можно найти в виде:

, или

При полностью открытом волновом фронте , поэтому вклад зоны Френеля с номером N пренебрежимо мал по сравнению с вкладом от первой зоны Френеля ().

Таким образом, при полностью открытом волновом фронте, амплитуда световой волны в точке P равна половине амплитуды, создаваемой только лишь одной первой (центральной) зоной Френеля

                                                     .                                            (3.20)

Если на пути световой волны поместить непрозрачный экран с отверстием, открывающим только одну первую зону Френеля, то амплитуда световых колебаний в точке P будет равна A ₁, т. е. в два раза больше, а интенсивность света () – в четыре раза больше, чем при отсутствии экрана.

Дифракция Френеля на диске.

Пусть на пути сферической волны, распространяющейся от точечного источника света S, расположена преграда в виде диска, перекрывающая m зон Френеля (рис. 3.14, а). Тогда амплитуда результирующей световой волны в точке P равна

      ,

следовательно, в точке P всегда наблюдается светлое пятно – интерференционный максимум, соответствующий половине действия первой открытой зоны Френеля (зоны с номером m +1).

Рис. 3.14

Наблюдаемый на экране центральный максимум, окружен концентрическими темными и светлыми кольцами, возникающими на границе геометрической тени. Распределение интенсивности I света на экране в этом случае изображено на рис. 3.14, б. В случае, если преграда перекрывает много зон Френеля (m – велико),  и . Если диск закрывает лишь часть центральной (первой) зоны Френеля, то интенсивность света I на экране остается практически одинаковой во всех точках.