Лекция 5. Интерференция света

Интерференция света – это явление перераспределения интенсивности света при наложении когерентных световых пучков.

Рис. 5.1. При наложении двух однородных когерентных световых пучков, распространяющихся под малым углом друг к другу, в области их перекрытия на экране образуется картина чередования темных и светлых линий – интерференционная картина.

Рис. 5.2, а) Опыт Юнга (1801). б) Фрагмент интерференционной картины на оптической оси установки.

Опыт Юнга послужил первым экспериментальным доказательством волновой природы света, хотя явления интерференции наблюдали задолго до этого во многих природных явлениях.

Когерентность света. Понятие «когерентность света» характеризует способность светового пучка к интерференции. Когерентность определяют измеряемые физические величины: длина когерентности,время когерентности, а также радиус когерентности.

Длину и время когерентности измеряют с помощью интерферометра Майкельсона.

Рис. 5.3. Условная схема интерферометра Майкельсона. Источник света удален на большое расстояние, так, что на интерферометр падает плоская световая волна.

В случае, когда на зеркала интерферометра Майкельсона, которые точно отюстированы, свет падает точно перпендикулярно относительно их поверхностей, на экране наблюдается равномерное освещение. Для получения на экране интерференционных полос одно из зеркал интерферометра необходимо слегка разъюстировать, то есть установить под небольшим углом к оси.

Рис. 5.4. Возможные распределения интенсивности в интерференционной картине на выходе слегка разъюстированного интерферометра Майкельсона. а) – видность интерференционной картины V = 1; б) – V = 0; в) 1 > V > 0.

Качество интерференционной картины характеризуют величиной: видность V:

,

где I_max и I_min – максимальная и минимальная интенсивность света в интерференционной картине. Очевидно, что видность может изменяться в пределах от нуля до единицы

Длина когерентности L_ког – разность хода между интерферирующими лучами в интерферометре Майкельсона, при которой видность интерференционной картины уменьшается от 1 до 0,5.

Время когерентности t_ког – временная задержка между интерферирующими цугами волн, при которой видность интерференционной картины уменьшается от 1 до 0,5. Очевидно t_ког = L_ког/c.

Рис. 5.5. Характер зависимости видности интерференционной картины в интерферометре Майкельсона от разности хода лучей в плечах интерферометра для разных источников света. Масштаб по оси абсцисс произвольный.

Свет лазера – когерентный, для него интерференция наблюдается при любых разностях хода интерферирующих лучей. Другие источники испускают частично когерентный свет, характеризуемый длиной или временем когерентности.

Рис. 5.6. Схема установки на базе интерферометра Майкельсона для сравнения эталона длины с длиной волны света.

Для определения расстояния между центрами штрихов на эталонной линейке в длинах волн излучения подсчитывают число интерференционных полос проходящих мимо фотоприемника на выходе интерферометра Майкельсона при смещении зеркала 3 вместе с микроскопом вдоль оси интерферометра на соответствующее расстояние. Электронный способ регистрации числа полос обеспечивает измерение смещения зеркала с точностью, достигающей 1/500 интерференционой полосы. То есть точность измерения длины может достигать одной тысячной доли длины волны лазера. Таким образом при смещении зеркала на 1 м относительная погрешность измерения длины достигает 10^-10.

Лекция 6. Интерференция в пластинках и пленках

Возможны два варианта наблюдения интерференционных полос в пластинках из прозрачного материала:

- в клиновой пластинке при освещении протяженным источником света (полосы равной толщины). Полосы равной толщины локализованы на поверхности пластинки, поэтому их можно наблюдать просто глазом или на экране с помощью линзы. Полосы равной толщины возникают в масляной пленке на поверхности лужи.

- В плоскопараллельной пластинке при освещении расходящимся монохроматическим световым пучком (полосы равного наклона). Полосы равного наклона локализованы на бесконечности.

Рис. 6.1. Схема опыта по наблюдению полос равной толщины. S – протяженный источник света.

В 17 в. Гук наблюдал кольцевую интерференционную картину, возникающую в воздушном слое между линзой и плоской стеклянной пластинкой.

Рис. 6.2. Кольца Ньютона.

Ньютон установил связь между радиусом интерференционных колец и кривизной линзы. В 19 в. Юнг полностью объяснил природу колец. Он опытным путем доказал, что при отражении световой волны от поверхности материала с более высоким, чем наружная среда показателем преломления, фаза отраженной волны изменяется на половину длины волны. Для этого он заполнял зазор между линзой и подложкой жидкостями с разными показателями преломления.

При наблюдении колец Ньютона в отраженном свете центральное пятно – темное, так как половина волны теряется при отражении от плоской стеклянной поверхности, имеющей более высокий, чем воздух показатель преломления. В результате лучи, отраженные поверхностями линзы и подложки оказываются в противофазе и гасят друг друга.

Разность хода лучей, падающих на поверхность под углом j и отраженных от поверхностей пластинки или пленки толщиной h равна

.

Наличие или отсутствие второго сомножителя в этом уравнении зависит от условий наблюдения интерференции.

Рис. 6.3. Образование полос равного наклона. Экран расположен в главной фокальной плоскости линзы L, таким образом, картина на экране соответствует случаю бесконечно удаленного экрана.

Приложения интерференции для просветления оптики и создания многослойных диэлектрических зеркал и светофильтров.

Рис. 6.4. Уменьшение отражения света от поверхности стекла диэлектрической пленкой с оптической толщиной nl = l/4, равной четверти длины волны.

Оптическая толщина просветляющей пленки должна быть равна четверти длины волны, тогда волны, отраженные границами раздела сред оказываются в противофазе и гасят друг друга.

Для взаимного погашения отраженных от границ раздела лучей интенсивности лучей, отраженных каждой поверхностью, должны быть равными. Это означает равенство коэффициентов отражения на этих границах, то есть показатели преломления слоев должны подчиняться соотношению:

; откуда .

Более совершенны, по сравнению с просветляющей пленкой, многослойные «ахроматические» просветляющие пленки, которые просветляют поверхность не только для монохроматического света, но и в более широком спектральном диапазоне.

Пленка с оптической толщиной в четверть длины волны и показателем преломления, превышающим показатель преломления стекла, будет увеличивать коэффициент отражения. Так как в этом случае потеря половины волны происходит не на обоих границах раздела, а лишь на передней поверхности пленки. Эффект можно значительно усилить, если перейти к многолучевой интерференции. Для этого на поверхность наносят последовательность слоев в четверть длины волны с разным показателем преломления. Разность показателей преломления слоёв по возможности должна быть максимальной. Например, чередуют слои сульфида цинка (n₁ = 2,3) и фторида лития (n₂ = 1,3). Более прочные покрытия изготавливают из рутила, TiO₂ (n₁ = 2,3) и кварцевого стекла, SiO₂ (n₂ = 1,46).

Для получения коэффициентов отражения R = 99% надо нанести 11 … 13 слоев. Покрытие из 15 слоев дает R = 99,8%. Интерференционные зеркала работают в ограниченной, довольно узкой спектральной области.

Современная технология изготовления многослойных диэлектрических зеркал и светофильтров основана на вакуумном напылении материалов.

Рис. 6.5. Схема многослойного диэлектрического зеркала.

Дата добавления: 2014-01-13