Применение интерференции. Просветление оптики. Интерферометры. Интерференционные рефрактометры

Интерференция света. Когерентность световых волн. Время и длина когерентности.

Интерференцией света называют пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн. Условием интерференции волн одной и той же частоты является их когерентность, т.е. сохранение неизменной разности фаз за время, достаточное для наблюдения. В частности монохроматические волны когерентны и могут интерферировать.

Когерентность – согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колеблющихся или волновых процессов.

Условия max

2п*ΔL / λ= 2п ΔL=m*λ m=0.1.2.3.4…. δ=2п*m

Условия min

Δ=(2m+1)*λ/2 δ=(2m+1)*п

m=0.1.2…..

Произведение геометрического пути на показатель преломления среды наз. оптической длиной пути.

L1=S1N1 L2=S2 N2 L1-L2=Δ

Монохроматический свет (от моно... и греч. Chroma — цвет), электромагнитная волна одной определённой и строго постоянной частоты из диапазона частот, непосредственно воспринимаемых человеческим глазом.

Время когерентности – время, по истечении которого разность фаз волны в некоторой, но одной и той же точке пространства изменяется на π. Волна с циклической частотой ω и фазовой скоростью υ распространяется за это время на расстояние l_ког.= υ*τ_ког.=π*υ/∆ω где l_ког – длина когерентности – расстояние между точками, разность фаз в которых π. Таким образом, длина когерентности есть расстояние, при прохождении которого две или несколько волн утрачивают когерентность. Отсюда следует, что наблюдение интерференции света возможно лишь при оптических разностях хода, которые меньше длины когерентности для используемого источника света.

 

 

3 Расчет интерференционной картины. Оптическая длина пути

.

 

 

; ;

.

Для получения четкой интерференционной картины: . Тогда . И, следовательно: ; ;

;

, где

.

Оптическая длина пути.

Произведение расстояния, пройденного световой волной, на показатель преломления среды называется оптической длиной пути или оптическим ходом волны (луча), где – геометрический путь, т.е. расстояние, пройденное волной, – показатель преломления среды. Для расчета интерференции пользуются оптической разностью хода интерферирующих волн, тогда условия максимумов и минимумов формулируются для соответствующих значений длин волн в вакууме. Если пользоваться понятием геометрической разности хода при прохождении света через разные среды, то условия интерференции усложняется, надо будет учитывать изменение длины волны в этих средах.

4 ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ (ПЛАСТИНКАХ)

Рассмотрим плоскую монохроматическая волна, которая падает на границы раздела двух сред с показателями преломления n ₁ и n ₂. Считаем для определенности, что n ₂ > n ₁. Обозначим d толщину пленки (пластинки), – угол падения плоской монохроматической волны, – ее угол преломления. Когда волна достигает границы раздела первой и второй среды фронт волны лежит в плоскости АВ. Интерференция наблюдается вследствие наложения волн 1” и 2’ (интерференция в отраженном свете).

Полосы равного наклона (интерференция от плоскопараллельной пластины). Интерференционные полосы, возникающие в результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами, называются полосами равного наклона.

Лучи 1¢ и 1², отразившиеся от верхней и нижней граней пластинки (рис. 250), параллельны друг другу, так как пластинка плоскопараллельна

Следовательно, интерферирующие лучи 1¢ и 1²«пересекаются» только в бесконечности, поэтому говорят, что полосы равного наклона локализованы в бесконечности. Для их наблюдения используют собирающую линзу и экран (Э),

2. Полосы равной толщины (интерференция от пластинки переменной толщины). Пусть на клин (угол a между боковыми гранями мал) падает плоская волна, направление распространения которой совпадает с параллельными лучами 1 и Интерференционные полосы, возникающие в результате интерференции от мест одинаковой толщины, называются полосами равной толщины.

Так как верхняя и нижняя грани клина не параллельны между собой, то лучи 1¢ и 1² (2' и 2") пересекаются вблизи пластинки, в изображенном на рис. 251 случае - над ней (при другой конфигурации клина они могут пересекаться и под пластинкой). Таким образом, полосы равной толщины локализованы вблизи поверхности клина. Бели свет падает на пластинку нормально, то полосы равной толщины локализуются на верхней поверхности клина.

 

4.Кольца Ньютона. Кольца Ньютона, являющиеся классическим примером полос равной толщины, наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны (рис. 252). Параллельный пучок света падает нормально на плоскую поверхность линзы и частично отражается от верхней и нижней поверхностей воздушного зазора между линзой и пластинкой. При наложении отраженных лучей возникают полосы равной толщины, при нормальном падении света имеющие вид концентрических окружностей.

В отраженном свете оптическая разность), при условии, что показатель преломления воздуха n = 1, а I = 0,

Следовательно, в отраженном свете:при наблюдается максимум;

откуда – радиусы светлых колец;

при наблюдается минимум;

откуда – радиусы темных колец. – радиусы тёмных колец; – радиусы светлых колец.

Создание высокоотражающих покрытий стало возможным лишь на основе многолучевой интерференции. В отличие от двухлучевой интерференции, которую мы рассматривали до сих пор, многолучевая интерференция возникает при наложении большого числа когерентных световых пучков. Распределение интенсивности в интерференционной картине существенно различается; интерференционные максимумы значительно уже и ярче, чем при наложении двух когерентных световых пучков. Многолучевую интерференцию можно осуществить в многослойной системе чередующихся пленок с разными показателями преломления (но одинаковой оптической толщиной, равнойl₀/4), нанесенных на отражающую поверхность Можно показать, что на границе раздела пленок (между двумя слоями ZnS с большим показателем преломления n₁находится пленка криолита с меньшим показателем преломления n₂) возникает большое число отраженных интерферирующих лучей, которые при оптической толщине пленок l₀/4 будут взаимно усиливаться, т. е. коэффициент отражения возрастает.

Применение интерференции. Просветление оптики. Интерферометры. Интерференционные рефрактометры

Применения интерференции очень важны и обширны. Интерференция света имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого другого. На использовании интерференции света основано действие интерферометров и интерференционных спектроскопов; метод голографии также основан на интерференции света. Интерференцию поляризованных лучей широко используют в кристаллооптике для определения структуры и ориентации осей кристалла, в минералогии для определения минералов и горных пород, для обнаружения и исследования напряжений и деформаций в твердых телах, для создания особо узкополосных светофильтров и др.

Явление интерференции обусловлено во­лновой природой света; его количествен­ные закономерности зависят от длины во­лны l₀.Поэтому это явление применяется для подтверждения волновой природы света и для измерения длин волн (интер­ференционная спектроскопия).

Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получе­ния высокоотражающих покрытий. Про­хождение света через каждую преломляю­щую поверхность линзы, например через границу стекло — воздух, сопровождается отражением»4 % падающего потока (при показателе преломления стекла»1,5).

Для устранения указанных недостат­ков осуществляют так называемое про­светление оптики. Для этого на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показателем преломления меньшим, чем у материала линзы. При отражении света от границ раздела воздух — пленка и пленка — стекло возникает интерферен­ция когерентных лучей 1' и 2'. Толщину пленки d и показатели преломле­ния стекла n _с и пленки n можно подобрать так, чтобы интерферирующие лучи гасили друг друга

Интерферометры – измерительные приборы, в которых используется интерференция волн. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется..

Интерферометры — очень чувстви­тельные оптические приборы, позволяю­щие определять незначительные измене­ния показателя преломления прозрачных тел (газов, жидких и твердых тел) в за­висимости от давления, температуры, при­месей и т. д. Такие интерферометры полу­чили название интерференционных реф­рактометров. Применение интерферометров очень многообразно. Кроме перечисленного, они применяются для изучения качества изго­товления оптических деталей, измерения углов, исследования быстропротекающих процессов, происходящих в воздухе, обте­кающем летательные аппараты, и т. д. Применяя интерферометр, Майкельсон впервые провел сравнение международно­го эталона метра с длиной стандартной световой волны. С помощью интерферо­метров исследовалось также распростра­нение света в движущихся телах, что при­вело к фундаментальным изменениям представлений о пространстве и време­ни.