Использование интерференции в науке и технике кратко

Обновлено: 04.07.2024

Явление интерференции широко используют для создания различных измерительных и контролирующих устройств.

1. Существуют специальные приборы — интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции. Их назначение — точное измерение длин волн, показателей преломления, коэффициентов линейного расширения и др.

2. С помощью интерференции можно оценить качество обработки поверхности изделияс точностью до 10~ 6 см. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластинкой. Неровности поверхности вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней границы эталонной пластинки. На рис. 17.12 приведены наблюдаемые интерференционные картины при отступлении от требуемой точности

(рис.17.12, а, б) и при достижении необходимой точности плоской поверхности детали Б).

3. Просветление оптики.Отполированная поверхность стекла отражает около 4% падающего на нее света. Современные оптические приборы состоят из большого числа оптических стекол — линз, призм и т.д. Поэтому общие потери света в объективе фотоаппарата составляют около 25%, в микроскопе — 50% и т.д. В результате освещенность изображения получается малой и ухудшается также качество изображения.

Для уменьшения световых потерь на поверхность стеклянной детали наносят тонкую пленку с показателем преломления п_п, меньше, чем показатель преломления п_е стекла (рис.17.13). При отражении света от границ раздела воздух-пленка и пленка-стекло возникает интерференция когерентных лучей 1 и 2. Толщину пленки к и показатель преломления п_п подбирают так,чтобы интерферирующие лучи гасили друг друга.Считая, что свет падает нормально (а = 0) и учитывая, что потеря полуволны происходит на обеих поверхностях, так как

Дифракция света

Дифракцией светаназывается огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле — явление отклонения направления распространения света от прямолинейного в однородной среде. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т.д.

изображен точечный источник света, от которого волна проходит через отверстие, размеры которого можно изменять. При ширине щели 1-2 мм на экране видна яркая светлая полоска с четко очерченными краями. При уменьшении ширины щели четкость краев полоски на экране нарушается и при значительном уменьшении ширины щели справа и слева от освещенной полоски появляются слабо заметные радужные полосы. Если за источником света поставить светофильтр, радужные полосы становятся одноцветными. Опыт свидетельствует о дифракции света: свет огибает непрозрачные края щели и заходит в область тени.

Явление интерференции широко используют для создания различных измерительных и контролирующих устройств.

(рис.17.12, а, б) и при достижении необходимой точности плоской поверхности детали Б).

Дифракция света

Интерференция -явление сложения двух или более когерентных волн,приводящее к образованию в пространстве устойчивой картинычередующихсямаксимумов и минимумов амплитуд результирующего колебания.

Использование интерференции в технике и науке.

Явление интерференции света находит широкое применение в современной технике. Одним из таких применений является создание "просветленной" оптики. Отполированная поверхность стекла отражает примерно 4% падающего на нее света. Современные оптические приборы состоят из большого числа деталей, изготовленных из стекла. Проходя через каждую из этих деталей, свет ослабляется на 4%. Общие потери света в объективе фотоаппарата составляют примерно 25%, в призменном бинокле и микроскопе - 50% и т. д.

Для уменьшения световых потерь в оптических приборах все стеклянные детали , через которые проходит свет, покрывают пленкой, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла. Толщина пленки равна четверти длины волны.

Другим применением явления интерференции является получение хорошо отражающих покрытий, необходимых во многих отраслях оптики. Создание высокоотражающих покрытий стало возможным лишь на основе многолучевой интерференции.Многолучевая интерференция возникает при наложении большого числа когерентных световых пучков. Поэтому в этом случае используют тонкую пленку толщиной l/4 из материала, коэффициент преломления которого n2 больше коэффициента преломления n3. В этом случае отражение от передней границы происходит с потерей полволны, так как n1 n3). В результате разность хода d = l/4+l/4+l/2=l и отраженные волны усиливают друг друга.

Интерференция света широко используется при спектральном анализе для точного измерения расстояний и углов, в рефрактометрии, в задачах контроля кач-ва поверхностей, для создания светофильтров, зеркал, просветляющих покрытий и др.; на явлениях И. с. основана голография. Важный случай И. с. - интерференция поляризованных лучей.

Явление интерференции широко используют для создания различных измерительных и контролирующих устройств.

1. Существуют специальные приборы — интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции. Их назначение — точное измерение длин волн, показателей преломления, коэффициентов линейного расширения и др.

Действие всех интерферометров основано на одном и том же принципе, и интерферометры различаются лишь конструктивно. На рисунке 17.12 представлена упрощенная схема интерферометра Майкельсона.

Монохроматический пучок света от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную пластинку Р₁. Сторона пластинки, удаленная от S, покрыта тонким слоем серебра с таким расчетом, что он половину светового пучка пропустит, а половину отразит (полупрозрачная пластинка), т.е. здесь луч разделяется на две части: луч 1 отражается от посеребренного слоя, луч 2 проходит через него. Луч 1 отражается от зеркала М₁ и, возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку P₁ (луч 1'). Луч 2 идет к зеркалу М₂, отражается от него, возвращается обратно и отражается от пластинки P₁ (луч 2'). Так как первый луч проходит пластинку Р₁ дважды, то для компенсации возникшей разности хода на пути второго луча ставится пластинка Р₂ (точно такая же, как и P₁ только не покрытая слоем серебра).

Лучи 1' и 2' когерентны, следовательно, будет наблюдаться интерференция, результат которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зеркала M₁ и луча 2 от точки О до зеркала М₂. При перемещении одного из зеркал на расстояние \(\frac<\lambda>\) разность хода обоих лучей изменится на \(\frac<\lambda>,\) и в интерференционной картине максимум сдвинется на место минимума, и наоборот, т.е. интерференционный максимум сдвинется на половину расстояния между полосами. Такой сдвиг полос наблюдатель отчетливо увидит. Следовательно, по незначительному смещению интерференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр для достаточно точных (-10 -9 м) измерений длин (длины тел, длины световой волны, определений температурного коэффициента линейного расширения и др.).

2. Используя явление интерференции, можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до 10 -6 см. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластинкой. Неровности поверхности вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней границы эталонной пластинки. На рисунке 17.13 приведены наблюдаемые интерференционные картины при отступлении от требуемой точности обработки и при достижении необходимой точности обработки плоской поверхности детали Д.

3. Просветление оптики. Отполированная поверхность стекла отражает около 4% перпендикулярно падающего на нее света. Современные оптические приборы состоят из большого числа оптических стекол — линз, призм и т.д. Поэтому общие потери света в объективе фотоаппарата составляют около 25%, в микроскопе — 50% и т.д. В результате освещенность изображения получается малой, ухудшается также качество изображения.

Часть светового пучка после многократного отражения от внутренних поверхностей все же проходит через оптический прибор, но рассеивается и уже не участвует в создании четкого изображения, а на фотографии образуется "вуаль".

Для уменьшения световых потерь на поверхность оптического стекла на-носят тонкую пленку с абсолютным показателем преломления n_п, меньшим, чем абсолютный показатель преломления стекла n_с (рис. 17.14). При отражении света от границ раздела воздух—пленка и пленка—стекло возникает интерференция когерентных волн 1 и 2. Толщину пленки h и показатель преломления n_п подбирают так, чтобы интерферирующие волны гасили друг друга. Считая, что свет падает нормально \(~(\alpha = 0)\) и учитывая, что потеря полуволны происходит на обеих поверхностях, так как n_с > n_п > n_возд, будем иметь \(2n_nh = \frac<(2m + 1)\lambda>\) и при \(~m = 0,\) \(2n_nh = \frac<\lambda>.\) Откуда \(h = \frac<\lambda>\) В результате гашения отраженных волн происходит усиление волны, которая проходит в стекло.

Так как обычно на поверхность стекла падает белый свет, то осуществить гашение отраженных волн всех частот невозможно. Толщину пленки подбирают так, чтобы полное гашение имело место для волн средней части спектра (зеленый цвет).

Гашение красных и фиолетовых частей спектра происходит незначительно. Поэтому объектив с просветленной оптикой имеет сиреневатый оттенок.

4. Явление интерференции используется для получения высокоотражающих покрытий. В этом случае используют тонкую пленку толщиной \(h = \frac<\lambda>\) из материала, абсолютный показатель преломления которого n_п больше абсолютного показателя преломления стекла n_п. В этом случае отражение от передней грани происходит с потерей полуволны, так как n_п>n_возд, а отраженные от задней границы — без потери полуволны. В результате \(\Delta = \lambda\) и отраженные волны усилят друг друга.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 511-513.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Применение интерференции света
Физика 11 класс

Интерференция
Интерференцией называется— сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Применение интерференции
Интерференция света находит широкое применение в различных областях науки и техники, так как позволяет значительно повысить точность измерений. Явление интерференции применяется для определения малых показателей преломления (например, газообразных веществ, слабых растворов и т.д.), для точного измерения длин и углов, для контроля чистоты обработки отражающих поверхностей прозрачных и непрозрачных тел.

Применение интерференции
Интерферометры.
Просветление оптики.
Проверка качества обработки поверхностей.
Сверхточное определение размеров.
Определение длин световых волн.
Определение эталона 1 м в длинах световых волн.

Интерферометры
Приборы, принцип действия которых основан на явлении интерференции, называются интерферометрами.
Принцип действия интерферометра: пучок электромагнитного излучения 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

Применение интерферометров
Интерферометры применяются в станкостроении и машиностроении ,
для оценки качества оптических поверхностей и проверки оптических
систем в целом.
С их помощью выполняются:
Измерение длин волн спектральных линий
Изучение их структуры
Измерение неоднородностей показателя преломления прозрачных сред
Измерение угловых размеров звёзд
Измерение скорости света
Определение качества шлифовки поверхностей
Измерение показателей преломления газов

Интерферометры
Большинство из интерферометров (Жамена, Рождественского,
Релея) предназначено для точного измерения показателей преломления света, некоторые для изучения качества обработки поверхности (интерферометр Линника), некоторые (интерферометры Майкельсона, Фабри-Перо) для целей метрологии и точного измерения длин. Среди интерферометров наиболее известен интерферометр Майкельсона и большинство других интерферометров повторяет принцип действия интерферометра Майкельсона.

Интерферометр Майкельсона
Монохроматический пучок света от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную пластинку Р1. Полупрозрачная пластинка покрыта тонким слоем серебра, луч разделяется на две части: луч 1 отражается от посеребренного слоя, луч 2 проходит через него. Луч 1 отражается от зеркала М1 и, возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку P1 (луч 1'). Луч 2 идет к зеркалу М2, отражается от него, возвращается обратно и отражается от пластинки P1 (луч 2'). Так как первый луч проходит пластинку Р1 дважды, то для компенсации возникшей разности хода на пути второго луча ставится пластинка Р2 (не покрытая слоем серебра).
Лучи 1' и 2' когерентны и будет наблюдаться интерференция.
При перемещении одного из зеркал на расстояние λ/4 разность хода обоих лучей изменится
на λ/2, и в интерференционной картине максимум сдвинется на место минимума, и
наоборот, т.е. интерференционный максимум сдвинется на половину расстояния между
полосами.
По незначительному смещению интерференционной картины можно с использовать интерферометр для достаточно точных (10-9 м) измерений длин волн.

Звездный интерферометр Майкельсона
Для измерения угловых размеров звезд и угловых расстояний между двойными звездами применяется звездный интерферометр Майкельсона
Свет от звезды, отразившись от зеркал М1, М2, М3, М4, образует в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину, по которой можно определить угловое расстояние через соседние максимумы. При наличии двух близких звезд, находящимися на определенном угловом расстоянии, в телескопе образуются две интерференционные картины, по разности хода волн которых можно определить угловое расстояние между ними.
Первой звездой, чей диаметр был измерен, стала Бетельгейзе (0,047 угловой секунды ).

По виду интерференционной картины можно проводить точные измерения расстояний при известной длине волны или, наоборот, определять спектр интерферирующих волн (интерференционная спектроскопия).
Интерференционными методами проводится сравнение самых стабильных эталонов длины с рабочими эталонами метра и т.п. Такое сравнение можно осуществить при помощи интерферометра Майкельсона.

Применение интерференции
Измерив радиусы колец, можно вычислить длины волн.
В результате измерений было установлено, что для красного света - λ кр = 8 •10-7м,
для фиолетового - λ ф= 4 • 10-7м.

Длины волн, соответствующие другим цветам спектра, принимают промежуточные значения.
Определение длины световой волны

Применение интерференции
С помощью явления интерференции проверяют качество обработки деталей. Это бесконтактный контроль геометрических размеров и формы деталей, а также качества отшлифованных поверхностей. Для этого чаще всего используют кольца Ньютона: если поверхность идеальная, то кольца будут иметь форму окружностей; если же есть небольшие ошибки, то кольца будут искривляться.

Проверка качества обработки поверхностей
С помощью интерференции можно оценить качество обработки поверхности
изделия с точностью до 1/10 длины волны. Для этого нужно создать тонкую
клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой
эталонной пластиной. При неровности поверхности размером до 10-6 см заметны
искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от
проверяемой поверхности и нижней грани.
Применение интерференции

Проверка качества обработки поверхностей
Если же на контролируемой поверхности имеется какой-либо дефект, например вмятина или царапина, то это приведет к искажению интерференционных полос (рис.в). По форме полос и их ширине можно судить о характере дефектов и их глубине. Применение интерференционных методов позволяет измерять отклонение от плоскости с погрешностью от 0,01 мкм. При нормальном падении монохроматического света на образец повышается точность измерений, так как увеличивается резкость интерференционных полос.

Интерференционный метод — очень чувствительный метод проверки гладкости поверхностей, так как позволяет оценить качество обработки с точностью порядка 10-8 м.

Просветление оптики
Применение интерференции

Просветление оптики
Объективы многих современных оптических приборов, например биноклей, фотоаппаратов, кинокамер, имеют сиреневый оттенок. Он обусловлен тем, что на внешнюю поверхность линзы нанесена тонкая пленка для уменьшения отражения от ее поверхностей. Если пленку не наносить, то при отражении от поверхностей линзы теряется до 10 % энергии падающего излучения. Так как современные объективы содержат несколько линз, то потери энергии при отражениях на поверхностях в объективе могут достигать до 70 %.

Просветление оптики
На поверхность линзы наносят тонкую пленку, толщина и показатель преломления которых подбираются таким образом, чтобы в отраженном свете был интерференционный минимум. В результате через объектив проходит больше света. Получаемое изображение становится более ярким и именно поэтому применяется термин "просветление оптики".

Объектив с просветленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок.

Просветление оптики
Просветляющие плёнки уменьшают светорассеяние, что увеличивает контраст оптического изображения, отчего фотографии получаются более детализированными.
На практике, удачно подобрав материал пленки, удается снизить коэффициент отражения поверхности в 20-100 раз по сравнению с исходной поверхностью стекла - для когерентного излучения данной длины волны.
Профессиональная аппаратура (микроскопы, бинокли и другие) стараются сделать более просветленными, делая не один, а несколько слоев различной толщины. Но и дешевые фотоаппараты и камеры современных телефонов и смартфонов имеют просветленную оптику. А из-за того, что свет, попадающий на объектив не монохроматический, то просветление таких бытовых аппаратов выполняется из расчета на наилучшее просветление в области максимальной чувствительности глаза человека.

Применение интерференции
Явление интерференции в тонких пленках используется для создания зеркал, фильтров, просветляющих покрытий и т. д.

Интерференция вокруг нас

Проявления интерференции света можно наблюдать, рассматривая необычные
рисунки на крыльях некоторых бабочек, светлячков и других насекомых;
переливы всеми цветами радуги морских ракушек, птичьих перьев или цветных
пленок на поверхности воды от масляных пятен, бензина.

Интерференция света вокруг нас

Интерференция в тонких пленках
Различные цвета тонких пленок
результат сложения волн 1 и 2,
одна из которых (1) отражается
от наружной поверхности пленки,
а другая (2) — от внутренней.
Результат интерференции зависит
от угла падения света на пленку,
ее толщины и длины волны
света.
Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 отстает от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстает от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

Интерференция в тонких пленках
Если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета

Интерференция вокруг нас

Лучи, которые падают и отражаются от внутренней границы плёнки,
интерферируют. В зависимости от изменения ее толщины, постоянно
меняется и окраска пленки. Так как из-за испарения воды пленка мыльного
пузыря становиться все тоньше и тоньше, то и цвет ее изменяется. чем тоньше
становиться пленка, тем больше цветовых компонентов исчезает.
Цвет мыльного пузыря зависит не только от толщины пленки, но и от угла, с
которым луч света сталкивается.
Мыльные пузыри.

Читайте также: