Лекция 8 Интерференция световых волн (продолжение)

Лекция 8
Интерференция световых
волн (продолжение)
Методы наблюдения интерференции
Бипризма Френеля
В данном интерференционном опыте, также
предложенном Френелем, для разделения исходной
световой волны на две используют призму с углом
при вершине, близким к 180.
Источником света служит ярко освещенная узкая
щель S, параллельная преломляющему ребру
бипризмы.
Здесь образуются два близких мнимых
изображения S1 и S2 источника S, так как каждая
половина бипризмы отклоняет лучи на небольшой
угол (n - 1)b.
Методы наблюдения интерференции
Билинза Бийе
Локализация интерференционных полос
Методы деления амплитуд
Полосы равного наклона и полосы равной
толщины.
Интерференцию света по методу т.н. деления
амплитуды во многих отношениях наблюдать
проще, чем в опытах с делением волнового фронта.
В различных схемах интерферометров
для
разделения волновых полей для этого используются
специальные полупрозрачные зеркала.
Особенно важен частный случай интерференции
света,
отраженного
двумя
поверхностями
плоскопараллельной пластинки.
Точка наблюдения P находится в бесконечности,
т.е.
наблюдение
ведется
либо
глазом,
аккомодированным на бесконечность, либо на
экране, расположенном в фокальной плоскости
собирающей линзы.
Возникающие при этом интерференционные
полосы называются полосами равного наклона.
Для достаточно тонкой пластинки или пленки
(поверхности
которой
не
должны
быть
параллельными!!!)
можно
наблюдать
интерференционную картину, локализованную
вблизи отражающей поверхности.
Возникающие при этих условиях полосы
называют полосами равной толщины.
В белом свете интерференционные полосы
окрашены. Поэтому такое явление называют цвета
тонких пленок.
Его легко наблюдать на мыльных пузырях, на
тонких пленках масла или бензина, плавающих на
поверхности воды.
Кольцевые полосы равной толщины наблюдаются
в воздушном зазоре между соприкасающимися
выпуклой сферической поверхностью линзы малой
кривизны и плоской поверхностью стекла.
Их называют кольцами Ньютона.
Интерференция в тонких пленках
Полосы равного наклона.
Рассмотрим интерференцию света, отраженного
двумя
поверхностями
плоскопараллельной
пластинки, когда точка наблюдения P находится в
бесконечности.
Возникновение
интерференционных
полос в тонких пленках.
Для понимания процессов, происходящих в
плёнке при прохождения света, введём понятие
оптической длины пути, равной произведению
геометрической длины пути световой волны l в
среде на абсолютный показатель преломления n.
Оба луча, идущие к точке P, порождены одним
падающим лучом и после отражения от передней и
задней поверхностей пластинки параллельны друг
другу.
Оптическая разность хода между лучами в точке P
такая же, как на линии DC:
  n(| AB |  | BC |) | AD |
Здесь n  показатель преломления материала
пластинки. Предполагается, что над пластинкой
находится воздух, т.е. n1  1.
Так как
AB+BC = 2h/cos q, AD=2h tg q sin q
(h – толщина пластинки q и q  углы падения и
преломления на верхней грани; sin q = n sin q ),
то для разности хода получаем
  2nh cos q
Следует также учесть, что при отражении волны от
верхней поверхности пластинки в соответствии с
формулами Френеля ее фаза изменяется на p
(потеря полуволны при отражении света от
оптически более плотной среды).
Поэтому разность фаз d складываемых волн в
точке P равна
d  4pnh cos q / l 0  p  4ph n 2  sin 2 q / l 0  p
где l0  длина волны в вакууме.
Разность фаз d определяется углом q , который
однозначно связан с положением точки P в
фокальной плоскости линзы.
Разность фаз не зависит от положения источника
S: если источник переместить, разность фаз двух
волн в точке P останется прежней.
Отсюда вытекает, что при использовании
протяженного источника интерференционные
полосы будут столь же отчетливыми, как и с
точечным
источником:
каждый
элемент
протяженного источника создает в фокальной
плоскости линзы свою интерференционную
картину, причем положение полос во всех этих
картинах совершенно одинаково.
Про такие полосы говорят, что они локализованы. В
данном случае они локализованы в бесконечности
(или в фокальной плоскости линзы).
Светлые полосы расположены в местах, для
которых
2nh cos q ± l0/2 = 2ml0/2,
где m – целое число, называемое порядком
интерференции. Полоса, соответствующая данному
порядку интерференции, обусловлена светом,
падающим на пластинку под вполне определенным
углом q. Поэтому такие полосы называют
интерференционными полосами равного наклона.
Полосы равной толщины
Локализованные вблизи поверхности пленки или
тонкой пластинки интерференционные полосы
можно наблюдать невооруженным взглядом либо с
помощью лупы или
поверхность микроскопа.
сфокусированного
на
С
помощью
собирающей
линзы
интерференционную картину с поверхности пленки
можно отобразить на экране.
В точке P (и, следовательно, в P) ,будет
находиться максимум интенсивности
при
выполнении условия
(m = 0, 1, 2,...),
2nh cos q ± l0/2 = 2ml0/2,
Данное соотношение остается в силе при
неплоских поверхностях пленки при условии, что
угол между ними остается малым.
Интерференционные
полосы
соответствуют
совокупности мест пленки, где ее оптическая
толщина nh имеет одно и то же значение (при
условии что cos q в достаточной степени одинаков
для всей области наблюдения).
По этой причине такие полосы называют
полосами равной толщины.
Полосы равной толщины можно наблюдать в
тонкой прослойке воздуха между поверхностями
двух прозрачных пластинок.
Кольца Ньютона
Кольцевые полосы равной толщины наблюдают в
воздушном зазоре между выпуклой сферической
поверхностью линзы
и плоской поверхностью
стекла. Их называют кольцами Ньютона.
Их общий центр расположен в точке касания.
В отраженном свете центр
темный.
Так как разность фаз
интерферирующих волн
близка к p.
Кольца Ньютона в отраженном свете
При условие (r/R) << 1 темные полосы соответствуют
толщине h = m l /2, поэтому для радиуса rm m-го
темного кольца получаем
rm  mRλ
(m = 0, 1, 2,...)  радиусы темных колец
пропорциональны
квадратному
корню
из
натуральных чисел.
Если
линзу
постепенно
отодвигать
от
поверхности стекла, то интерференционные кольца
будут стягиваться к центру.
С помощью колец Ньютона, как и в опыте Юнга,
можно
сравнительно
простыми
средствами
приближенно определить длину волны света.
Применение интерференции света
Интерферометр Майкельсона
Интерферометрами называют оптические приборы,
действие которых основано на явлении интерференции
света. Они предназначены: для точных измерений длин,
углов, характеристик оптических поверхностей,
показателей преломления сред или их изменений,
спектрального состава исследуемого излучения и т.п.
Наблюдение интерференционных полос при этом
становится не целью исследования, а средством
проведения измерений.
ИНТЕРФЕРОМЕТР
•
Интерферометр —
измерительный прибор,
основанный на явлении
интерференции. Принцип
действия интерферометра
заключается в следующем:
пучок света с помощью того
или иного устройства
пространственно
разделяется на два или
большее количество
когерентных пучков. Каждый
из пучков проходит
различные оптические пути и
возвращается на экран,
создавая
интерференционную картину,
по которой можно установить
смещение фаз пучков.
ИНТЕРФЕРОМЕТР МАЙКЕЛЬСОНА - БОЛЕЕ
ПОДРОБНО.
•
•
Рассмотрим более подробно классическую
схему интерферометра, предложенную
Майкельсоном. Светоделительное зеркало
имеет определенную толщину.
Для компенсации этого явления в другой
"ветви" интерферометра (к которой
обращен отражающий слой
светоделительного зеркала S)
устанавливают дополнительную
прозрачную компенсационную пластинку
K, называемую компенсатором.
Фото
•Пластинка K изготовлена из того же материала
и имеет ту же толщину, что и светоделительное
зеркало S. В интерферометре пластинка K
устанавливается параллельно пластинке S.
Таким образом, разность хода в
интерферометре не зависит от длины волны
света и определяется только положением
зеркал. Фотография реального
интерферометра с компенсационной
пластинкой и его оптическая схема показаны
на рисунках.
Схема
Таким образом, от одного источника S
получаются два пучка примерно одинаковой
интенсивности, которые распространяются после
разделения пластинкой P1 в разных "плечах"
интерферометра, затем снова встречаются и
создают интерференционную картину в фокальной
плоскости линзы L.
Пластинка P2, такая же, как и P1, только без
отражающего покрытия, ставится на пути второго
пучка
для
компенсации
разности
хода,
возникающей из-за того, что первый пучок
проходит через P1 три раза, а второй - только один
раз.
Оптическая длина пути от источника до точки
наблюдения для луча, отразившегося от зеркала M2,
будет такой же, как и для воображаемого луча,
отразившегося от M2.
Поэтому можно считать, что интерференционная
картина, наблюдаемая в фокальной плоскости
линзы L, возникает из-за воздушного слоя между
отражающей поверхностью M1 и мнимой
отражающей поверхностью M2.
При параллельных поверхностях M1 и M2
полосы имеют вид концентрических окружностей с
центром в фокусе линзы.
Источником света
является
расходящееся
излучение HeNe лазера.
Интерференци
онная картина
имеет вид
концентрически
х колец.
Главная особенность интерферометра Майкельсона
по сравнению с интерферометрами других типов
заключается в том, что с его помощью можно
непрерывно изменять разность хода между пучками в
широких пределах путем перемещения одного из
зеркал и наблюдать при этом интерференционные
полосы высоких порядков.
Это необходимо как для измерения длины
когерентности излучения узких спектральных линий,
так и для выполнения метрологических работ по
прямому сравнению длины световой волны (т.е.
первичного эталона длины) с концевой мерой,
представляющей собой металлический стержень с
параллельными
зеркально
отполированными
торцовыми плоскостями.
Примеры реальных интерферограмм в
интерферометре Майкельсона
1. В качестве источника света используется лампа накаливания.
Разность хода близка к нулю. Зеркала интерферометра
установлены строго перпендикулярно друг другу. Однако
отражающие поверхности зеркал не являются идеальными
плоскостями
Примеры реальных интерферограмм в интерферометре
Майкельсона
• В качестве источника
света взята натриевая
лампа желтого света.
Разность хода близка к
нулю. Зеркала
интерферометра
установлены не строго
перпендикулярно друг
другу. Интерференция
имеет вид
вертикальных полос.
Из-за несовершенства
поверхности зеркал
полосы немного
искривлены.
Примеры реальных интерферограмм в интерферометре
Майкельсона
источником света является He-Ne лазер
Итак: полосы равного наклона получаются при
освещении пластинки постоянной толщины
рассеянным светом в котором содержаться лучи
разных направлений.
Полосы равной толщины наблюдаются при
освещении пластинки переменной толщины
(клина) параллельным пучком света.
Применение интерференции света
Тот факт, что расположение интерференционных
полос зависит от длины волны и разности хода
лучей, позволяет по виду интерференционной
картины (или их смещению) проводить точные
измерения расстояний при известной длине
волны или, наоборот, определять спектр
интерферирующих волн (интерференционная
спектроскопия).
• Кроме того, по интерференционной картине
можно выявлять и измерять неоднородности среды
(в т.ч. фазовые), в которой распространяются
волны, или отклонения формы поверхности от
заданной.
•
Явление
интерференционных
волн,
рассеянных от некоторого объекта (или
прошедших через него), с «опорной» волной
лежит в основе голографии (оптической,
акустической или СВЧ-голографии).
•
Интерференционные волны от отдельных
«элементарных»
излучателей
используются
при
создании сложных излучающих систем (антенн) для
электромагнитных и акустических волн.
•
Просветление
оптики
и
получение
высокопрозрачных
покрытий
и
селективных
оптических фильтров.
• Получение высокоотражающих электрических
зеркал
Для получения коэффициента отражения R  0,99
(такие зеркала используются в лазерных
резонаторах) надо нанести 11 – 13 слоев.