Методы наблюдения интерференции света кратко

Обновлено: 04.07.2024

Для интерференции света необходимым условием является получение когерентных световых пучков. В процессе его выполнения, свое применение находят различные приемы. До того времени, когда во всех приборах для наблюдения интерференции света появились лазеры, когерентные пучки получали с помощью разделения и последующего сведения световых лучей, испускаемым одним и тем же источником. На практике, это может быть осуществимо при помощи экранов и щелей, зеркал и преломляющих тел. Разберем некоторые из таких методов.

Метод Юнга и интерференция света

Первое наблюдение явления интерференции световых волн, а также и определение их длин были совершены Т. Юнгом. Роль источника света играет ярко освещенная щель S (рисунок 1 ), из которой световая волна попадает на две параллельные щели S , узкие равноудаленные щели S 1 и S 2 . Исходя из этого, можно сделать вывод, что щели S 1 и S 2 в данной ситуации являются когерентными источниками. Интерференционная картина (область ВС) наблюдается на экране Э , установленном на определенном расстоянии параллельно S 1 и S 2 .

Зеркала Френеля

Пара плоских соприкасающихся зеркал О М и O N расположены таким образом, что угол между их отражающими поверхностями, крайне близок к нулю (рис. 2 ). По этой причине угол j на изображении очень мал. Параллельно линии пересечения зеркал О , на некотором расстоянии r от нее, размещается прямолинейный источник света S , такой как, к примеру, узкая светящаяся щель. Зеркала отбрасывают на экран Э две цилиндрические когерентные волны, распространяющиеся так, как если бы они исходили из мнимых источников S 1 и S 2 . Путь света от источника S к экрану Э преграждает непрозрачный экран Э 1 .

Луч O Q является отражением луча S O от зеркала О М , луч О Р , в свою очередь, представляет собой отражение луча S O от зеркала O N . Несложно понять, что угол между лучами О Р и O Q эквивалентен 2 j . По той причине, что S 1 и S 2 располагаются относительно О М симметрично, длина отрезка O S 1 равняется длине O S , другими словами r . Подобные рассуждения становятся результатом получения того же результата для отрезка O S 2 . Исходя из вышесказанного, можно заявить, что расстояние между источниками S 1 и S 2 равно d = 2 r sin ( j ) ≫ 2 p j .

Бипризма Френеля

Пара изготовленных из одного куска стекла призм с мизерным преломляющим углом q обладают одной общей гранью и называются бипризмой Френеля (рис. 3 ).

Параллельно данной грани на некотором расстоянии a от нее, находится прямолинейный источник света S . При условии, если преломляющий угол q призмы пренебрежительно мал, а углы падения лучей на грань призмы не сильно велики, то каждый луч отклоняется призмой на почти один и тот же угол, эквивалентный j = ( n - l ) q , где n представляет собой показатель преломления призмы. В случае, когда угол падения лучей на бипризму небольшой, все лучи отклоняются каждой из половин бипризмы на аналогичные углы. Как результат, появляется пара когерентных цилиндрических волн, испускаемых из мнимых источников S 1 и S 2 и принадлежащих той же плоскости, что и S .

Интерференция проявляется в качестве результата наложения двух расходящихся пучков света, расходящихся от двух когерентных источников, располагающихся на некотором расстоянии l от экрана Э , как это проиллюстрировано на рисунке 1 . По данной причине порядок расчета и результат наложения волн будут абсолютно равны.

Область, в которой волны накладываются друг на друга, носит название поля интерференции.

Во всей этой области наблюдается чередование мест с максимальной и минимальной интенсивностью света. Если в поле интерференции поместить экран, то на нем будет проявляться интерференционная картина, выражающаяся в виде чередования светлых и темных полос.

Пускай когерентные источники S 1 и S 2 расположены на некотором расстоянии d друг от друга, а экран Э вместе источниками находится в некой среде с абсолютным показателем преломления n .

Определим оптическую разность хода между когерентными волнами, распространяющимися от источников S 1 и S 2 в приведенную точку M на экране. Точка M размещена на расстоянии x от центра интерференционной картины.

∆ = L 2 - L 1 = r 2 n - r 1 n = n ( r 2 - r 1 ) ,

где L 2 = r 2 n и L 1 = r 1 n представляют собой оптические длины пути для первой и второй волн, а r 2 и r 1 – геометрические длины пути первой и второй волн.

Для случая треугольников S 1 А М и S 2 В М будет справедливой следующая запись:

r 2 2 = l 2 + x + d 2 2 , r 1 2 = l 2 + x - d 2 2 ⇒ r 2 2 - r 1 2 = x + d 2 2 - x - d 2 2 ⇒ r 2 - r 1 r 2 + r 1 = 2 x d .

Так как, l ≫ d , можно заключить, что r 2 + r 1 ≈ 2 l , учитывая это, выражаем:

r 2 - r 1 r 2 + r 1 = 2 x d ⇒ r 2 - r 1 2 l = 2 x d ⇒ r 2 - r 1 = x d l .

Оптическая разность ход будет эквивалентна выражению:

∆ = n ( r 2 - r 1 ) = n x d l .

Применяя условие интерференционных максимумов для оптической разности хода двух волн в формулу ∆ = n r 2 - r 1 = n x d l , выведем координаты максимумов, другими словами, положение светлых полос, на экране

n x m a x d l = 2 m λ 2 и x m a x = m λ l m d , m = 0 , 1 , 2 , 3 . . . .

В точке x m a x = 0 размещается максимум, соответствующий нулевой оптической разности хода. Порядок интерференции для такого максимума m = 0 . Он является центром интерференционной картины.

Подставляя условие интерференционных минимумов для оптической разности хода двух волн в приведенное выражение ∆ = n r 2 - r 1 = n x d l , определим положение темных полос на экране или же координаты минимумов:

n x m i n d l = 2 m + 1 λ 2 и x m i n = 2 m + 1 λ l 2 n d , m = 0 , 1 , 2 , 3 . . .

Расстояние между двумя соседними максимумами (или минимумами), порядок m которых отличается на единицу, определяется как ширина интерференционной полосы.

Свет, испускаемый обычными источниками, можно рассматривать как хаотическую последовательность отдельных цугов синусоидальных волн. Длительность отдельного цуга не превышает 10 - 8 с даже в тех случаях, когда атомы источника не взаимодействуют (газоразрядные лампы низкого давления). Любой регистрирующий прибор имеет значительно большее время разрешения, поэтому наблюдение интерференции невозможно.

Опыт Юнга

Образование интерференционной картины можно наблюдать в рассмотренном нами в п. 8.2 опыте Юнга, использующем метод деления волнового фронта (рис. 8.3).

Прошедший через узкую длинную щель S свет, вследствие дифракции образует расходящийся пучок, который падает на второй экран B с двумя, параллельными между собой узкими щелями S₁ и S₂, расположенными близко друг к другу на равных расстояниях от S. Эти щели действуют как вторичные синфазные источники, и исходящие от них волны, перекрываясь, создают интерференционную картину, наблюдаемую на удаленном экране C. Расстояние между соседними полосами равно:

Измеряя ширину интерференционных полос, Юнг в 1802 г. впервые определил длины световых волн для разных цветов, хотя эти измерения и не были точными.

Зеркала Френеля

Другой интерференционный опыт, аналогичный опыту Юнга, но в меньшей степени осложненный явлениями дифракции и более светосильный, был осуществлен О. Френелем в 1816 г. Две когерентные световые волны получаются в результате отражения от двух зеркал М и N, плоскости которых наклонены под небольшим углом φ друг к другу (рис. 8.4).

Источником служит узкая ярко освещенная щель S, параллельная ребру между зеркалами. Отраженные от зеркал пучки падают на экран, и в той области, где они перекрываются (поле интерференции), возникает интерференционная картина. От прямого попадания лучей от источника S экран защищен ширмой . Для расчета освещенности J экрана можно считать, что интерферирующие волны испускаются вторичными источниками и , представляющими собой мнимые изображения щели S в зеркалах. Поэтому J будет определяться формулой двулучевой интерференции, в которой расстояние l от источников до экрана следует заменить на , где - расстояние от S до ребра зеркал, b - расстояние от ребра до экрана (см. рис 8.4.). Расстояние d между вторичными источниками равно: . Поэтому ширина интерференционной полосы на экране равна:

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 (рис. 8.5).

Можно считать, что здесь образуются два близких мнимых изображения S₁ и S₂ источника S, так как каждая половина бипризмы отклоняет лучи на небольшой угол .

Билинза Бийе

Аналогичное бипризме Френеля устройство, в котором роль когерентных источников играют действительные изображения ярко освещенной щели, получается, если собирающую линзу разрезать по диаметру и половинки немного раздвинуть (рис. 8.6).

Прорезь закрывается непрозрачным экраном А, а падающие на линзу лучи проходят через действительные изображения щели и и дальше перекрываются, образуя интерференционное поле.

Для осуществления интерференции света необходимо получить когерентные световые пучки, для чего применяются различные приемы. До появления лазеров (см. § 233) во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные пучки получали разделением и последующим сведением световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Практически это можно осуществить с помощью экранов и щелей, зеркал и преломляющих тел. Рассмотрим некоторые из этих методов.

1. Метод Юнга. Источником света служит ярко освещенная щель S (рис.245), от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S₁ и S₂, параллельные щели S. Таким образом, щели S₁ и S₂ играют роль когерентных источников. Интерференционная картина (область ВС) наблюдается на экране (Э), расположенном на некотором расстоянии параллельно S₁ и S₂. Как уже указывалось (см. §171), Т. Юнгу принадлежит первое наблюдение явления интерференции.

2. Зеркала Френеля. Свет от источника (рис. 246) падает расходящимся пучком на два плоских зеркала А₁О и А₂О, расположенных относительно друг друга под углом, лишь немного отличающимся от 180° (угол мал). Учитывая правила построения изображения в плоских зеркалах, можно показать, что и источник, и его изображения S₁ и S₂ (угловое расстояние между которыми равно 2 ) лежат на одной и той же окружности радиуса с центром в О (точка соприкосновения зеркал).

Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими из мнимых источников S₁ и S₂, являющихся мнимыми изображениями S в зеркалах. Мнимые источники S₁ и S₂ взаимно когерентны, и исходящие из них световые пучки, встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрывания (на рис. 246 она выполнена зеленым цветом). Можно показать, что максимальный угол расхождения перекрывающихся пучков не может быть больше 2 . Интерференционная картина наблюдается на экране (Э), защищенном от прямого попадания света заслонкой (3).

3. Бипризма Френеля. Она состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с малыми преломляющими углами. Свет от источника S (рис. 247) преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых источников S₁ и S₂, являющихся когерентными. Таким образом, на поверхности экрана (в области, выполненной в цвете) происходит наложение когерентных пучков и наблюдается интерференция.

4. Расчет интерференционной картины от двух источников. Расчет интерференционной картины для рассмотренных выше методов наблюдения интерференции света можно провести используя две узкие параллельные щели, расположенные достаточно близко друг к другу (рис. 248). Щели S₁ и S₂ находятся на расстоянии d друг от друга и являются когерентными (реальными или мнимыми изображениями источника S в какой-то оптической системе) источниками света. Интерференция наблюдается в произвольной точке А экрана, параллельного обеим щелям и расположенного от них на расстоянии l, причем l >> d. Начало отсчета выбрано в точке О, симметричной относительно щелей.

Интенсивность в любой точке А экрана, лежащей на расстоянии х от О, определяется оптической разностью хода (см. §172). Из рис.248 имеем откуда или = Из условия l >> d следует, что , поэтому

Подставив найденное значение (173.1) в условия (172.2) и (172.3), получим, что максимумы интенсивности будут наблюдаться при

а минимумы – при

Расстояние между двумя соседними максимумами (или минимумами), называемое шириной интерференционной полосы, равно

не зависит от порядка интерференции (величины m) и является постоянной для данных l, d и . Согласно формуле (173.4), l, d обратно пропорционально d; следовательно, при большом расстоянии между источниками, например при , отдельные полосы становятся неразличимыми. Для видимого света 10 -7 м, поэтому четкая доступная для визуального наблюдения интерференционная картина имеет место при l >> d (это условие и принималось при расчете). По измеренным значениям l, d и , используя (173.4), можно экспериментально определить длину световой волны. Из выражений (173.2) и (173.3) следует, таким образом, что интерференционная картина, создаваемая на экране двумя когерентными источниками света, представляет собой чередование светлых и темных полос, параллельных друг другу. Главный максимум, соответствующий m = 0, проходит через точку О. Вверх и вниз от него на равных расстояниях друг от друга располагаются максимумы (минимумы) первого (m = 1), второго (m = 2) порядков и т.д. Описанная картина, однако, справедлива лишь при освещении монохроматическим светом ( = const). Если использовать белый свет, представляющий собой непрерывный набор длин волн от 0,39 мкм (фиолетовая граница спектра) до 0,75 мкм (красная граница спектра), то интерференционные максимумы для каждой длины волны будут, согласно формуле (173.4), смещены друг относительно друга и иметь вид радужных полос. Только для m = 0 максимумы всех длин волн совпадают и в середине экрана будет наблюдаться белая полоса, по обе стороны которой симметрично расположатся спектрально окрашенные полосы максимумов первого, второго порядков и т. д. (ближе к белой полосе будут находиться зоны фиолетового цвета, дальше — зоны красного цвета).

а минимумы – при

Посмотрев данный видеоурок, учащиеся вспомнят, в чём состоит явление интерференции света. Рассмотрят два основных метода получения интерференционных картин. Познакомятся с некоторыми областями применения интерференции.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Методы наблюдения интерференции света. Применение интерференции"

До появления лазеров во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные волны получали разделением и последующим сведением световых волн, представляющих части одной и той же волны, идущие от единственного источника и достигающие точки наблюдения разными путями.

Один из таких методов (мы с ним познакомились на прошлом уроке) был предложен Томасом Юнгом. Напомним, что в установке источником света служила ярко освещённая щель, от которой фронт волны падал на две узкие равноудалённые щели, параллельные первой. Таким образом, эти две щели играли роль когерентных источников.

Интерференционная картина наблюдалась на экране, расположенном параллельно щелям в области перекрытия волн. В центре картины была расположена светлая полоса, а по краям радужные полоски в случае белого света, или чередование тёмных и светлых полос в случае света монохроматического.

Второй способ наблюдения интерференции был предложен современником Юнга Огюстеном Френелем. В его установке свет от источника расходящимся пучком попадает на два плоских зеркала, расположенных друг от друга под углом, близким к 180°. Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими от источников, являющихся мнимыми изображениями источника света в зеркалах.

Мнимые источники когерентны, и исходящие из них световые лучи, встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрытия. Интерференционная картина наблюдается на экране, защищённом от прямого попадания света источника непрозрачным экраном.

На основе явления интерференции основан принцип действия специальных измерительных приборов — интерферометров.

Один из первых интерферометров, позволившим измерить длину волны света, был сконструирован американским физиком Альбертом Майкельсоном. Рассмотрим принцип его действия на упрощённой схеме. Итак, монохроматический луч света от источника, пройдя через узкую щель непрозрачного экрана, попадает на полупрозрачное зеркало, наклонённое под углом 45°, где разделяется на два луча.

На одинаковом расстоянии от зеркала установлены два плоских зеркала. Лучи света, отражаясь от этих зеркал, снова падают на полупрозрачное зеркало, частично отражаются, частично проникают сквозь него и попадают на экран (или в зрительную трубу). Так как первый луч проходит полупрозрачную пластинку дважды, то для компенсации возникшей разности хода на пути второго луча ставится ещё одна точная такая же пластинка, но только полностью прозрачная).

Лучи когерентны, следовательно, будет наблюдаться интерференция, результат которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зеркала М₁ и луча 1 от точки О до зеркала М₂. Следовательно, по незначительному смещению интерференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр для достаточно точных измерений длин волн и прочего.

Явление интерференции света также широко используется для оценки качества обработки поверхностей изделий с точностью до 10 –6 см. Для этого между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластинкой создаётся тонкая клиновидная прослойка воздуха. Неровности исследуемой поверхности вызывают заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света.

Но самый важный и наиболее частый способ применения интерференции (помимо измерения длин волн) — это просветление оптики.

Зачем это нужно? Вот представьте себе стопку оконных стёкол или объектив фотоаппарата и ответьте себе на два простых вопроса:

— Много ли видно сквозь пять–семь сложенных стёкол?

— И какого цвета поверхность объектива?

Дело в том, что даже хорошо отполированная поверхность стекла отражает около 4 % перпендикулярно падающего на неё света. На это отражение от каждой поверхности тратится значительная часть энергии, что делает непрозрачными и стопку стёкол, и сложные оптические системы, так как сквозь прибор часто проходит лишь около 10—20 % падающего на него света.

Запишем условие интерференционного минимума, считая, что свет падает практически нормально (α = 90 о ) и учитывая, что потеря полуволны происходит на обеих поверхностях (т. к. n_c > n_пл > n_возд):

Выразим из записанной формулы толщину плёнки учитывая, что мы рассматриваем центральный минимум:

В результате такого гашения отражённых волн происходит усиление волны, которая проходит в стекло.

Из-за того, что на поверхность стекла в основном падает белый свет, то гашение отражённых волн всех частот невозможно. Поэтому толщину плёнки подбирают так, чтобы полное гашение имело место для волн средней части спектра (а это примерно зелёный цвет). Гашение же красных и фиолетовых частей спектра происходит незначительно. В результате чего, например объектив с просветлённой оптикой в отражённом свете имеет сиреневатый оттенок.

На явлении интерференции основано и изготовление так называемых холодных и тёплых зеркал. Для этого используются диэлектрические плёнки с разными показателями преломления. Так на поверхность холодных зеркал наносят такую плёнку (или систему плёнок), чтобы от зеркала отражалось как можно больше световой энергии, а волны инфракрасного диапазона проходили сквозь него. Соответственно для тёплых зеркал всё наоборот.

Для закрепления нового материала давайте с вами решим задачу. Итак, на поверхность линзы из оптического стекла с показателем преломления 1,7 нанесена тонкая плёнка с показателем преломления 1,5. На линзу нормально к поверхности падает пучок монохроматического света с длиной волны 600 нм. Определите наименьшую толщину плёнки, при нанесении которой отражённый свет будет максимально ослаблен.

В заключение обратим ваше внимание на то, что отсутствие света в областях интерференционных минимумов не означает превращение световой энергии в другие формы. Как и при интерференции механических волн, отсутствие света в данной области пространства означает, что происходит перераспределение энергии, отражённых волн нет и весь свет проходит сквозь объектив.

Читайте также: