Интерференция света. Цвета тонких пленок в отраженном свете. Условия наблюдения.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА - пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или неск. световых волн, частный случай общего явления интерференции волн. Нек-рые явления И. с. исследовались ещё И. Ньютоном в 17 в., но не могли быть им объяснены с точки зрения его корпускулярной теории. Правильное объяснение И. с. как типично волнового явления было дано в нач. 19 в. Т. Юнгом (Th. Young) и О. Френелем (A. Fresnel). Наиб, широко известна И. с., характеризующаяся образованием стационарной (постоянной во времени) интерференционной картины (и. к.) - регулярного чередования в пространстве областей повыш. и пониж. интенсивности света, получающейся в результате наложения когерентных световых пучков, т. е. в условиях постоянной (или регулярно меняющейся) разности фаз. Реже и только в спец. условиях эксперимента наблюдаются явления нестационарной И. с., к к-рым относятся световые биения и эффекты корреляции интенсивностей. Строгое объяснение явлений нестационарной И. с. требует учёта как волновых, так и корпускулярных свойств света и даётся на основе квантовой электродинамики. Стационарная И. с. возникает при наличии когерентности(определ. корреляции фаз) налагающихся волн. Взаимно когерентные световые пучки могут быть получены путём разделения и последующего сведения лучей, исходящих от общего источника света. При этом требование когерентности налагает нек-рые ограничения на угл. размеры источника и на ширину спектра излучения.

Образование и. к. удобно проследить на идеализированной схеме классич. эксперимента Юнга (рис. 1).

Точечный источник света S с длиной волны l освещает два малых отверстия в экране А, к-рые становятся вторичными взаимно когерентными источниками света (см. Дифракция света).На экране В наблюдается и. к., вызванная интерференцией двух созданных систем волн. В соответствии ссуперпозиции принципом напряжённость эл--магн. поля E _Q в произвольной точке Q экрана В даётся суммой напряжённостей полей E _1Q и E_2Q, созданных в точке Q источниками 1 и 2. Наблюдаемой величиной является интенсивность излучения, падающего на экран, пропорциональная ср. квадрату напряжённости поля. Представляя напряжённость поля E_i(t, s)каждого источника (i=1,2) гармонич. ф-цией времени t и расстояния s вдоль направления распространения

Е _i(t,s)=E _icos2p(vt+s/ l+j₀),

где l, - длина волны, v - частота, j₀ - нач. фаза световых колебаний, можно при надлежащем выборе единиц измерения напряжённости поля получить выражение для интенсивности I_Q в точке Q в виде:

Здесь I₁=<E²_1Q> и I₂ =< E²_2Q> -интенсивности света в точке Q, создаваемые каждым источником отдельно; d - оптич. разность хода интерферирующих лучей: d=n₁r₁-n₂r₂; r₁ и r₂ - расстояния от отверстий 1 и 2 до точки Q: n₁ и n₂ - показатели преломления среды (в случае воздуха n₁=n₂=1); d₀ - oптич. разность хода лучей от источника S до точек 1 и 2. Из (1) следует, что интенсивность света в данной точке экрана отличается от суммы интенсивностей I₁+I₂, создаваемых источниками 1 и 2 при независимом освещении ими экрана. При совместном действии когерентных источников 1 и 2 истинная интенсивность I оказывается отличающейся на величину, описываемую третьим, интерференционным, членом ф-лы (1). Интерференция, разумеется, не меняет полной световой энергии, попадающей на экран В, приводя лишь к её перераспределению с образованием характерной и. к. На экране В возникает система световых полос, интенсивность к-рых в сечении плоскостью, проходящей через источник и отверстия 1 и 2, изменяется, как показано графически сплошной линией на правой части рис. 1. Макс, интенсивность в и. к. наблюдается при разности хода, равной чётному числу полуволн, а минимальная - при разности хода, равной нечётному числу полуволн. В реальном опыте конечный размер источника света можно учесть, рассмотрев и. к. от другого, чуть смещённого относительно S точечного источника S', дающего смещённую и. к. (пунктир). Сложение множества таких картин от всех точек источника приводит к смазыванию и. к., т. е. к падению её контраста. Суммарная и. к. будет мало отличаться от идеальной (создаваемой точечным источником), если линейный размер источника DS удовлетворяет условию DS<lR/d пространственной когерентности (см. Когерентность света ) (d - расстояние между отверстиями 1 и 2, R - расстояние от источника до экрана A). Конечная ширина Dl спектра излучения источника также является причиной снижения контраста и. к., снижения тем большего, чем выше порядок интерференции h, равный целой части отношения d/l. При освещении белым светом на экране видна белая центр, полоса нулевого порядка с примыкающими к ней быстро исчезающими радужными полосами. Окраска полос связана с тем, что положение максимумов интенсивности, имеющих порядок h№0, зависит от длины волны. При квазимонохроматич. освещении (, ср. длины волны) наблюдается множество чётких полос, отвечающих порядку интерференции вплоть до Существует множество схем опытов и естеств. ситуаций, в к-рых наблюдается И. с. Их наиб, существенные различия связаны с различиями в способах получения когерентных пучков света и в числе интерферирующих лучей. По способам создания когерентных пучков света выделяют схемы с делением волнового фронта и с делением амплитуды. При первом способе сводятся вместе световые пучки, исходно различающиеся направлением распространения от источника. Такой принцип используется, напр., в эксперименте Юнга, а также в демонстрац. опытах с применением Френеля зеркал, билинзы Бийе (рис. 2) и др. Билинза Бийе представляет собой выпуклую линзу, разрезанную по диаметру на две части, немного раздвинутые в направлении, перпендикулярном к оптич. оси; они образуют действительные изображения S₁ и S₂ точечного источника S.

Интерференционные полосы наблюдаются в монохрома-тич. свете в любой плоскости области перекрытия расходящихся пучков от источников S₁ и S ₂ (показано штриховкой). Из интерференц. устройств с делением волнового фронта большое практич. значение в спектроскопии имеет дифракц. решётка. Все схемы И. с. с делением волнового фронта предъявляют жёсткие требования к малости угл. размера источника света. Напр., в опыте Юнга при освещении отверстий 1 и 2 прямым солнечным светом, т. е. источником с угл. размером всего 0,5°, для получения чёткой и. к. расстояние между отверстиями не должно превышать неск. десятков микрон. Именно на резкой критичности контраста и. к. к размеру источника в схемах с делением волнового фронта основан метод измерения угл. размеров звёзд с помощью звёздного интерферометра (см. Интерферометр звёздный).В схемах И. с. с амплитудным делением волнового поля излучение первичного источника делится полупрозрачными границами раздела оптич. сред. Так, напр., возникает широко распространённая в естеств. условиях И. с. в тонких плёнках, ответственная за радужное окрашивание масляных пятен на воде, мыльных пузырей, крыльев насекомых, окисных плёнок на металлах и др. Во всех этих случаях имеет место И. с., отражённого двумя поверхностями плёнок. В тонких плёнках перем. толщины при освещении протяжённым источником света картина интерференц. полос воспринимается локализованной на поверхности плёнки, причём данная интерференц. полоса соответствует фиксированной толщине плёнки (полосы равной толщины.; рис. 3). Яркое интерференц. окрашивание возникает только для весьма тонких плёнок толщиной порядка длины волны, т. е. в низких порядках интерференции. Для более толстых плёнок и. к. видна при освещении монохроматизированным светом, напр, в свете натриевой лампы низкого давления. В тонких плёнках строго

Рис. 3. Полосы равной толщины, полученные с тонкой стеклянной пластинкой.

постоянной толщины (с точностью до малых долей длины волны) одинаковую разность хода приобретают при отражении от двух поверхностей плёнки лучи, падающие на плёнку под фиксированным углом. Эти лучи в фокальной плоскости линзы образуют и. к. полос равного наклона. Метод деления амплитуды широко применяется в разл. схемах интерферометров, в к-рых для разделения волновых полей используются спец. полупрозрачные зеркала. Для метода деления амплитуды характерно снижение ограничений на угл. размер источника света. Требования к монохроматичности света не зависят от способа деления волнового поля, определяясь только порядком интерференции. Как отмечалось выше, И. с. в низких порядках наблюдается даже в белом свете. В свете изолированных спектральных линий газоразрядных источников света можно наблюдать интерференцию в очень высоких порядках h~10⁵-10⁶, т. е. при разностях хода в десятки см. Это ещё недавно имело большое практич. значение для создания и контроля вторичных эталонов длины, опирающихся на длину волны определ. атомной линии в качестве первичного эталона. В 80-е гг. для этой цели используется излучение одночастотных лазеров, позволяющих наблюдать интерференцию при практически неограниченной разности хода. Почти все упомянутые примеры И. с. относились к типу двухлучевой интерференции, при к-рой в каждую точку и. к. свет от общего источника приходит по двум путям. При этом интенсивность света в и. к. гармонически зависит от разности хода лучей [~cos²(2pd/l)]. Многолучевая И. с. возникает при наложении многих когерентных волн, получаемых делением исходного волнового поля с помощью многократных

Рис. 4. Зависимость интенсивности в интерференционной картине интерферометра Фабри-Перо от разности хода d.

отражений (как, напр., в интерферометре Фабри-Перо)или дифракцией на многоэлементных периодич. структурах (см. Дифракционная решётка, Майкельсона эшелон). При многолучевой И. с. яркость и. к. является периодич., но не гармонич. ф-цией d. Резкая зависимость яркости и. к. от d при многолучевой И. с. широко используется для спектрального анализа света. Для примера на рис. 4 показана зависимость пропускания монохроматич. света интерферометром Фабри-Перо от расстояния между его полупрозрачными зеркалами, т. е. и от d. Если для наблюдения И. с. от тепловых источников приходится соблюдать ряд ограничений, причём возникающая и. к. обычно имеет малую яркость и размеры, то при использовании в качестве источников света лазеров явления И. с. настолько ярки и характерны, что нужны особые меры для получения равномерной освещённости. Чрезвычайно высокая когерентность излучения лазеров приводит к появлению помех интерференц. происхождения при наблюдении объектов, освещённых лазером. При лазерном освещении произвольной шероховатой поверхности аккомодированный на бесконечность глаз воспринимает хаотич. картину световых пятен, мерцающую при смещениях глаза (см. Спеклы).Это вызвано тем, что шероховатая поверхность, рассеивая лазерное излучение, служит источником нерегулярной и. к., образованию к-рой в обычных условиях препятствует низкая пространственно-временная когерентность излучения тепловых источников. Близкую к этому природу имеет эффект мерцания звёзд, являющихся источниками света с очень большой площадью пространственной когерентности. Нестационарная И. с. К ней относятся световые биения, наблюдающиеся при наложении световых полей разл. частот. В этом случае возникает бегущая в пространстве и. к., так что в заданной точке пространства интенсивность света периодически меняется во времени с частотой, равной разности частот интерферирующих волн. Биения возникают в обычных (нелазерных) схемах И. с. при изменении во времени разности хода интерферирующих лучей. Примером может служить интерферометр Майкелъсона с перем. длиной одного из плеч. При перемещении вдоль луча света одного из зеркал интенсивность света на выходе интерферометра периодически меняется, что может служить средством измерения скорости очень медленных перемещений. Например, при движении зеркала со скоростью 10^-6 м/с интенсивность света меняется с частотой ~4 Гц. Биения могут наблюдаться и в излучении независимых источников света. Для этого их яркости и спектральные плотности излучения должны быть очень велики. Обе эти характеристики выражаются через параметр r, наз. параметром вырождения фотонов, равный числу фотонов в объёме когерентности. При фотоэлектрич. регистрации биений параметр r в произведении сквантовым выходом приёмника определяет величину сигнала биений по отношению к фону фотонного шума. Излучение лазеров сильно вырождено - rд1, вследствие чего биения в свете двух лазеров и между разл. типами колебаний одного лазера легко наблюдаются. Эти биения часто играют вредную роль как источник мощного шума интенсивности лазера. Для тепловых источников обычно rЪ1, поэтому эффекты нестационарной И. с. в их излучении крайне малы. Тем не менее их удалось обнаружить в тонких экспериментах по корреляции интенсивностей (см. Интерферометр интенсивности),получивших широкую известность в связи с их значением для звёздной астрономии, поскольку с их помощью возможно измерять угл. размеры столь удалённых звёзд, что это не удаётся сделать с помощью звёздного интерферометра. Следы нестационарной интерференции были обнаружены также при анализе спектра шумов фотоэлемента, освещённого двумя очень близкими спектральными линиями атомов ртути. На частоте биений был обнаружен пик в спектре шумов, составлявший 10^-4 от фона дробовых шумов [4]. И. с. используется при спектральном анализе света, для точного измерения расстояний, углов, скоростей, в рефрактометрии. Большое значение интерферометрия имеет в оптич. производстве как средство контроля качества поверхностей и линзовых систем. Интерференц. явления используются для создания светофильтров, высококачеств. зеркал, просветляющих покрытий для оптич. деталей. И. с. составляет основу голографии. Важным частным случаем И. с. является интерференция поляризованных лучей.