Застосування інтерференції в техніці реферат

Обновлено: 07.07.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

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.

Некоторые применения интерференции:

Проверка качества обработки поверхностей.

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

Для устранения этих неприятных последствий отражения света от поверхности оптических стекол надо уменьшить долю отражаемой энергии света. Даваемое прибором изображения делается при этом ярче, "просветляется". Отсюда и происходит термин просветление оптики. Просветление оптики основано на интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления nп, меньшим показателя преломления стекла nс. Для простоты рассмотрим нормальное падение света на пленку.

Разность хода световых волн 1 и 2 (рис. 0), отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки, равна удвоенной толщине пленки 2h. Длина волны lп в пленке меньше длины волны l в вакууме в n раз:

Для того, чтобы волны 1 и 2 ослабляли друг друга, разность хода должна равняться половине длины волны в пленке:

2h = lп/2 = l/2nп (1)

Отражение света крайних участков спектра – красного и фиолетового – ослабляется незначительно. Поэтому объектив с просветленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок. Сейчас даже простые дешевые фотоаппараты имеют просветленную оптику.

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. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина, вид которой, т. е. форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов, зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.

Методы получения когерентных пучков в интерферометрах очень разнообразны, поэтому существует большое число различных конструкций интерферометров. По числу интерферирующих пучков света оптические интерферометры можно разбить на многолучевые и двухлучевые.

Примером двухлучевого интерферометра может служить интерферометр

Майкельсона (рис.1). Параллельный пучок света источника L, попадая на полупрозрачную пластинку P1, разделяется на пучки 1 и 2. После отражения от зеркал M1 и M2 и повторного прохождения через пластинку

P1 оба пучка попадают в объектив O2, в фокальной плоскости D которого они интерферируют. Оптическая разность хода D = 2(AC – AB) = 2l, где l

– расстояние между зеркалом M2 и мнимым изображением M1ў зеркала M1 в пластинке P1. Таким образом, наблюдаемая интерференционная картина эквивалентна интерференции в воздушной пластинке толщиной l. Если зеркало M1 расположено так, что M1ў и M2 параллельны, то образуются полосы равного наклона, локализованные в фокальной плоскости объектива

O2 и имеющие форму концентрических колец. Если же M2 и M1ў образуют воздушный клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина M2M1ў и представляющие собой параллельные линии.

1/D см-1. На этом принципе построены Фурье-спектрометры, применяющиеся для длинноволновой инфракрасной области спектра (50–1000 мкм) при решении задач физики твердого тела, органической химии и химии полимеров, диагностики плазмы.

Сочетание интерферометра Майкельсона и призменного монохроматора (рис.

2, а) – компаратор интерференционный Кёстерса – применяется для абсолютных и относительных измерений длин концевых мер (измерительных плиток) сравнением их с длиной волны света или между собой с точностью

2Ч10-9) позволяет с такой же абсолютной точностью измерять длины порядка 10 м. При замене плоских зеркал в интерферометре Майкельсона отражающими триэдрами его используют для измерения углов с точностью до 10-6 рад. Сочетание интерферометра Майкельсона с микроскопом

(микроинтерферометр В. П. Линника) позволяет по виду интерференционной картины определять величину и форму микронеровностей металлических поверхностей.

K2, пучки, отразившиеся от поверхностей пластины P2, попадают в зрительную трубу T, где интерферируют, образуя полосы равного наклона.

Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n1, а другая с n2, то по смещению интерференционной картины на число полос m по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти Dn=n1–n2=ml/l (l – длина кюветы).

Разновидностями интерферометра Жамена являются интерферометр Маха –

Цендера и интерферометр Рождественского (рис.4), где используются две полупрозрачные пластинки P1 и P2 и два зеркала M1 и M2. В этих интерферометрах расстояние между пучками S1 и S2 может быть сделано очень большим, что облегчает установку в один из них различных исследуемых объектов, поэтому они широко применяются в аэрогазодинамических исследованиях.

В интерферометре (рис. 5) Рэлея интерферирующие пучки выделяются с помощью двух щелевых диафрагм D. Пройдя кюветы K1 и K2, эти пучки собираются в фокальной плоскости объективом O2, где образуется интерференционная картина полос равного наклона, которая рассматривается через окуляр O3. При этом часть пучков, выходящих из диафрагм, проходит ниже кювет и образует свою интерференционную картину, расположенную ниже первой. Если показатели преломления n1 и n2 веществ в кюветах, то из-за разности хода в кюветах верхняя картина сместится относительно нижней. Измеряя величину смещения по числу полос m, можно найти Dn.

Для измерения угловых размеров звезд и угловых расстояний между двойными звездами применяется звездный интерферометр Майкельсона (рис.

6). Свет от звезды, отразившись от зеркал M1, M2, M3, M4, образует в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину. Угловое расстояние между соседними максимумами q = l/D (рис. 6, б). При наличии двух близких звезд, находящихся на угловом расстоянии j, в телескопе образуются две интерференционные картины, также смещенные на угол j. Изменением D добиваются наихудшей видимости картины, что будет при условии j = 1/2q = l/2D, откуда можно определить j.

– Перо как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы. Специальные сканирующие интерферометры Фабри – Перо с фотоэлектрической регистрацией используются для исследования спектров в видимой, инфракрасной и сантиметровой областях длин волн.

Разновидностью интерферометра Фабри – Перо являются оптические резонаторы лазеров, излучающая среда которых располагается между зеркалами интерферометра. К многолучевым интерферометрам также относятся различного рода дифракционные решетки, которые используются как интерференционные спектральные приборы.

Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний. Просветление оптики для увеличения светопропускания. Измерение длины волны излучения, исследование структуры спектральной линии.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	18.03.2015
Размер файла	175,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство науки и образования РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Национальный исследовательский технологический университет

Применение интерференции света

Глава 1. Использование интерференции в технике

1.1 Просветление оптики

1.2 Образование полос равной толщины

1.2.1 Характеристика полосы равной толщины

1.3 Полосы равного наклона

Глава 2. Кольца Ньютона. Применения явления интерференции

Глава 1. Использование интерференции в технике

Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией.

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.

Некоторые применения интерференции: проверка качества обработки поверхностей. Проверка качества обработки поверхности до одной десятой длины волны. Несовершенство обработки определяют, но искривлению интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности. Интерферометры служат для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн.

1.1 Просветление оптики

Просветление оптики -- это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки или нескольких плёнок одна поверх другой. Это необходимо для увеличения светопропускания оптической системы. пространство амплитуда колебание оптика

Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол, линз, призм. Каждая отполированная поверхность стекла отражает около 5% падающего на нее света. Чтобы уменьшить долю отражаемой энергии, используется явление интерференции света.

Просветлённый объектив требует бережного обращения, так как плёнки, нанесенные на поверхность линз, легко повредить. Кроме того, тончайшие пленки загрязнений (жир, масло) на поверхности просветляющего покрытия нарушают его работу и резко увеличивают отражение света от загрязненной поверхности. Следует помнить, что следы пальцев со временем разрушают не только просветление, но и поверхность самого стекла.

1.Однослойное просветление. Для наилучшего эффекта показателя просветляющей плёнки должен равняться квадратному корню показателя преломления оптического стекла линзы. Наиболее подходящим материалом для просветляющей пленки является фторид бария, обладающий весьма низким (n=1,38) показателем преломления. Однако, фторид бария растворим в воде, и требует нанесения защитного покрытия.

Отражательная способность стекла, просветленного таким способом, сильно зависит от длины волны, что является основным недостатком однослойного просветления.

В настоящее время однослойное просветление часто используется для лазерной оптики, рассчитанной на работу в узком спектральном диапазоне. Используя стёкла с относительно высоким показателем преломления и напыляя плёнку фторида бария, удается добиться минимальной отражающей способности около 1 %.

2.Многослойное просветление. Многослойное просветляющее покрытие представляет собой последовательность чередующихся слоёв (их число достигает 15 и более) из двух (или более) материалов с различными показателями преломления. Многослойные просветляющие покрытия характеризуются низкими потерями на отражение (узкополосные покрытия для лазерной оптики с отражательной способностью около 0,3 % и менее, широкополосные -- до 0,5 %). Основное преимущество многослойного просветления применительно к фотографической и наблюдательной оптике -- незначительная зависимость отражательной способности от длины волны в пределах видимого спектра, что существенно уменьшает искажения цвета. Отражения от поверхности линз с многослойным просветлением в зависимости от качества имеют различные оттенки зелёного и фиолетового цвета, вплоть до очень слабых серо-зеленоватых у объективов последних годов выпуска.

1.2 Образование полос равной толщины

Интерференционные полосы равной толщины возникают в отраженном свете при отражении параллельного пучка монохроматического излучения от двух границ слоя переменной толщины. Следует отметить, что они возникают также и в прошедшем свете, но с гораздо более низким контрастом интерференционной картины.

Для достаточно тонкой пластинки или пленки (поверхности которой не обязательно должны быть параллельными и вообще плоскими) 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 цветами тонких пленок. Его легко наблюдать на мыльных пузырях, на тонких пленках масла или бензина, плавающих на поверхности воды, на пленках окислов, возникающих на поверхности металлов при закалке.

Рассмотрим интерференционную картину, получаемую от пластинок переменной толщины (от клина).

Направления распространения световой волны, отраженной от верхней и нижней границы клина, не совпадают. Отраженные и преломленные лучи встречаются, поэтому интерференционную картину при отражении от клина можно наблюдать и без использования линзы, если поместить экран в плоскость точек пересечения лучей (хрусталик глаза помещают в нужную плоскость).

Интерференция будет наблюдаться только во 2-й области клина, так как в 1-й области оптическая разность хода будет больше длины когерентности. Когерентность -согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Результат интерференции в точках P₁ и P₂ экрана определяется по известной формуле

подставляя в неё толщину пленки в месте падения луча (в₁ или в₂). Свет обязательно должен быть параллельным (б=const): если одновременно будут изменяться два параметра в и б, то устойчивой интерференционной картины не будет.

Поскольку разность хода лучей, отразившихся от различных участков клина, будет неодинаковой, освещенность экрана будет неравномерной, на экране будут темные и светлые полосы (или цветные при освещении белым светом, как показано на рис. 8.11). Каждая из таких полос возникает в результате отражения от участков клина с одинаковой толщиной, поэтому их называют полосами равной толщины.

Применение эффекта

Полосы равной толщины имеют большое практическое приложение в интерферометрии различных поверхностных рельефов. В частности, простейшее их применение состоит в контроле плоскостности изготовляемых (полируемых) поверхностей оптических деталей. Для этого на обрабатываемое изделие, очищенное от полировочного порошка, накладывают эталонную плоскую стеклянную пластину (так называемые ПИ, пластины интерференционные). Как правило, при таком наложении образуется воздушный зазор толщиной единицы микрон, имеющий естественную клиновидность. В отраженном естественном свете образуется система окрашенных полос равной толщины (наиболее отчетливо видна система зеленых полос с длиной волны порядка 0,5 мкм).

1.2.1 Характеристика полосы равной толщины

1.Полосы равной толщины наблюдаются при отражении параллельного или почти параллельного пучка лучей света (const) от тонкой прозрачной пленки, толщина d которой не одинакова в разных местах.

2.Полосы равной толщины возникают в том случае, если интерферирующие пучки после прохождения интерференционной системы имеют реальное или мнимое пересечение в пространстве изображений лучей и могут наблюдаться без дополнительной оптической системы, так как картина образуется в результате изменения разности хода между непараллельными интерферирующими лучами.

3.Полосы равной толщины наблюдаются в клинообразных пластинках. И соответствует месту пересечения обеих поверхностей, ограничивающих клинообразную пластинку, - ребру клина. В таких клинообразных пластинках интерференционные полосы располагаются параллельно ребру клина в местах одинаковой толщины.

4.Полосы равной толщины при широком источнике света достаточно контрастны, если обе ветви интерферометра подобны друг другу и одинаковы по своим оптическим характеристикам. Ухудшение этих условий снижает контрастность полос. Полосы равного наклона контрастны при любой ширине источника света, если нет диафрагм, перекрывающих соответствующие пучки лучей в обеих ветвях интерферометра. Причины, снижающие контрастность полос равной толщины при широком источнике света, приводят к искривлению полос равного наклона.5.Полосы равной толщины используют для определения показателей преломления жидкостей, заключенных между отражающими поверхностями. Они образуются, в частности, в интерферометре Майкельсона.

6.Полосы равной толщины возникают на поверхности пластины, освещаемой протяженным источником, если толщина пластины постепенно меняется от места к месту.

1.3 Полосы равного наклона

Полосы равного наклона - это система чередующихся светлых и тёмных полос, наблюдаемая на экране при освещении прозрачного слоя постоянной толщины (плоскопараллельной пластинки) непараллельным пучком монохроматического излучения. Каждая полоса создаётся лучами света S и S1 (рис.1.3), падающими на поверхность слоя под одним и тем же углом (Появление П. р. н. обусловлено интерференцией света, отражённого "передней и задней границы пластинки. П. р. н. локализованы в бесконечности и для их наблюдения интерферирующие лучи собирают с помощью линзы L на экран Э или фотопластинку.

Схема наблюдения полос равного наклона. Лучи S и S1, падающие под одним углом, собираются линзой в одной точке О. Лучи, падающие под др. углом (напр., S'), собираются линзой в др. точке О'.

Глава 2. Кольца Ньютона. Применения явления интерференции

Кольцевые полосы равной толщины, наблюдаемые в воздушном зазоре между соприкасающимися выпуклой сферической поверхностью линзы малой кривизны и плоской поверхностью стекла, называют кольцами Ньютона.

Интерференционная картина в виде колец Ньютона возникает между поверхностями одна из которых плоская, а другая имеет большой радиус кривизны (например, стеклянная пластинка и плосковыпуклая линза).

Общий центр колец расположен в точке касания. В отраженном свете центр темный, так как при толщине воздушной прослойки, на много меньшей, чем длина волны л, разность фаз интерферирующих волн обусловлена различием в условиях отражения на двух поверхностях и близка к р. Толщина h воздушного зазора связана с расстоянием r до точки касания:

Здесь использовано условие

При наблюдении по нормали темные полосы, как уже отмечалось, соответствуют толщине

поэтому для радиуса r_m m-го темного кольца получаем:

Если линзу постепенно отодвигать от поверхности стекла, то интерференционные кольца будут стягиваться к центру. При увеличении расстояния на л/2 картина принимает прежний вид, так как место каждого кольца будет занято кольцом следующего порядка. С помощью колец Ньютона, как и в опыте Юнга, можно сравнительно простыми средствами приближенно определить длину волны света.

Полосы равной толщины можно наблюдать и с помощью интерферометра Майкельсона, если одно из зеркал отклонить на небольшой угол.

Итак, полосы равного наклона получаются при освещении пластинки постоянной толщины (b=const) рассеянным светом, в котором содержатся лучи разных направлений. Полосы равной толщины наблюдаются при освещении пластинки переменной толщины (клина) (b ) параллельным пучком света. Полосы равной толщины локализованы вблизи пластинки.

Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь, закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная, протяженная волна, а как поток "сгустков" (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц - фотонов.

Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).

1. Берн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М. 1973.

2. Большая Советская Энциклопедия М.: "Советская энциклопедия", 1969-1978

3. Гагарин А.П. Ньютона кольца // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. -- М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.

4. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976.

5. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. §58. Интерференция света

6. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1985.

7. Физика. Большой энциклопедический словарь. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - С.90, 460.

8. Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А.М. Прохоров. Изд. "Советская энциклопедия", 1983.

Подобные документы

Взаимодействие электромагнитных волн с веществом. Отражение и преломление света диэлектриками. Принцип Гюйгенса - Френеля. Рефракция света. Графическое сложение амплитуд вторичных волн. Дифракция плоской световой волны и сферической световой волны.

реферат [168,2 K], добавлен 25.11.2008

Исследование корпускулярной и волновой теорий света. Изучение условий максимумов и минимумов интерференционной картины. Сложение двух монохроматических волн. Длина световой волны и цвет воспринимаемого глазом света. Локализация интерференционных полос.

реферат [928,6 K], добавлен 20.05.2015

Изучение явления интерференции света с помощью интерференционной картины, ее получение по заданным параметрам (на экране не менее восьми светлых полос). Сравнение длины световой волны с длиной волны падающего света. Работа программы "Интерференция волн".

лабораторная работа [86,5 K], добавлен 22.03.2015

Расчет длины волны из опыта Юнга и колец Ньютона. Интерференция света как результат наложения двух когерентных световых волн. Подробный расчет всех необходимых величин. Определение длины волны через угол наклона соответствующей прямой к оси абсцисс.

лабораторная работа [469,3 K], добавлен 11.06.2010

Объяснение явления интерференции. Развитие волновой теории света. Исследования Френеля по интерференции и дифракции света. Перераспределение световой энергии в пространстве. Интерференционный опыт Юнга с двумя щелями. Длина световой волны.

реферат [31,1 K], добавлен 09.10.2006

Волновые и квантовые аспекты теории света. Теоретические вопросы интерференции и дифракции. Оценка технических возможностей спектральных приборов, дифракционной решетки. Методика определения длины волны света по спектру от дифракционной решетки.

методичка [211,1 K], добавлен 30.04.2014

Изучение явлений интерференции и дифракции. Экспериментальные факты, свидетельствующие о поперечности световых волн. Вывод о существовании электромагнитных волн, электромагнитная теория света. Пространственная структура эллиптически-поляризованной волны.

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. В этом случае используют тонкую пленку толщиной l /4 из материала, коэффициент преломления которого n 2 больше коэффициента преломления n 3 . В этом случае отражение от передней границы происходит с потерей полволны, так как n 1 n 3 ). В результате разность хода d = l /4+ l /4+ l /2= l и отраженные волны усиливают друг друга.
Интерференции 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 интерференции света. основана голография.
Важный случай интерференции света- интерференция поляризованных лучей.

19.Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона, но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным. Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т. Юнгом. Независимо от него в 1818 г. французский ученый О. Френель развил количественную теорию дифракционных явлений. В основу теории Френель положил принцип Гюйгенса, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. Принцип Гюйгенса в его первоначальном виде позволял находить только положения волновых фронтов в последующие моменты времени, т. е. определять направление распространения волны. По существу, это был принцип геометрической оптики. Гипотезу Гюйгенса об огибающей вторичных волн Френель заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом. Принцип Гюйгенса–Френеля также представлял собой определенную гипотезу, но последующий опыт подтвердил ее справедливость. В ряде практически важных случаев решение дифракционных задач на основе этого принципа дает достаточно хороший результат. Рис. 1 иллюстрирует принцип Гюйгенса–Френеля.

Рисунок 1. Принцип Гюйгенса–Френеля. ΔS₁ и ΔS₂ – элементы волнового фронта, и – нормали

1. Дифракция Френеля. Размер препятствия порядка размера зоны Френеля. Их отношение оказывается порядка единицы:

Безразмерный параметр p называют волновым параметром. В этом случае справедливо френелевское приближение - в фазовом множителе расстояние r заменяют приближенным выражением

Амплитудный множитель заменяют приближенным выражением , не зависящим от переменных интегрирования (при условии, что размер препятствия мал по сравнению с расстоянием до плоскости наблюдения). Указанные выше приближения используются при рассмотрении дифракции на экранах с осевой симметрией и на одномерных препятствиях.

Таким образом, в области френелевской дифракции (так называемая ближняя волновая зона) выражение (2.9) записывается в виде

2. Дифракция Фраунгофера. Размер препятствия много меньше размера зоны Френеля и, следовательно,

Неравенство (2.13) означает, что дифракционная картина наблюдается на достаточно удаленном экране (в пределе – на бесконечности). В этом случае радиусы-векторы , проведенные от различных точек экрана к точке наблюдения практически параллельны друг другу. Это обстоятельство резко упрощает фазовые соотношения. В области дифракции Фраунгофера в фазовом множителе можно приближенно положить

где – расстояние от центра экрана до точки наблюдения Р. В амплитудном множителе, как и в случае френелевской дифракции, выражение заменяют на . В области дифракции Фраунгофера

Следует подчеркнуть, что выражение (2.15) имеет вид двумерного преобразования Фурье функции (см. главу 1.2.3) - граничного возмущения в плоскости z = 0. Область дифракции Фраунгофера принято называть дальней волновой зоной.

Таким образом, критерием наблюдения дифракционных картин различного вида может служить значение волнового параметра . При наблюдается френелевская дифракция. Характерная качественная особенность френелевских дифракционных картин состоит в том , что область наблюдения дифракции приблизительно совпадает с границами геометрической тени. Например, при освещении плоской волной отверстия диаметра D в непрозрачном экране, размер дифракционной картины в плоскости z = b окажется порядка D. При наблюдается дифракция Фраунгофера. В этом случае дифракционная картина значительно шире размеров геометрической тени. Второй важной особенностью фраунгоферовских дифракционных картин, в отличие от френелевской дифракции, является то, что при разных положениях плоскости наблюдения дифракционные картины подобны друг другу; при переходе к другой плоскости наблюдения изменяется только масштаб картины. По этому признаку наблюдаемые на экране дисплея дифракционные картины легко можно отнести к френелевской или фраунгоферовой дифракции.

Отметим здесь, что фраунгоферова дифракция может наблюдаться в фокальной плоскости линзы (см. главу 8). Параллельный пучок лучей, распространяющийся под углом к оси (рис. 2.11), сводится линзой в некоторой точке фокальной плоскости без нарушения фазовых соотношений (таутохронизм). Поэтому распределение поля в фокальной плоскости в некотором масштабе воспроизводит дифракционную картину, которую можно наблюдать в отсутствие линзы на достаточно удаленной плоскости наблюдения. В оптических инструментах, как правило, наблюдается дифракция Фраунгофера.

Литература 11

Вторым важным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференции света. Простой опыт по интерференции света наблюдал Гримальди. Опыт заключается в следующем: на пути солнечных лучей ставят экран с двумя близкими отверстиями (проделанными в ставне, закрывающей окно); получаются два конуса световых лучей. Помещая экран в том месте, где эти конусы накладываются друг на друга, замечают, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы его освещал только один световой конус. Из этого опыта Гримальди сделал вывод, что прибавление света к свету не всегда увеличивает освещенность.

Другой случай интерференции примерно в те же годы исследовал английский физик Роберт Гук (1635 - 1703). Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды. При этом он обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки.

Гук подошел к изучению этих явлений с правильной точки зрения. Он полагал, что свет - это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже считал, что эти колебания являются поперечными.

Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой, например мыльной, пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако у Гука не было правильного представления о том, что такое цвет. Он не связывал цвет с частотой колебаний или с длиной волны, и поэтому не смог разработать теорию интерференции. Толкование Гука содержит первый, правда, чисто качественный и расплывчатый вариант того, что мы сейчас называем интерференционным объяснением. Но никто, в том числе и Гук, не смог разобраться в этом явлении. Дело в том, что наблюдения делали в белом свете, и тут явления слишком многообразны и сложны.

В своем реферате я покажу хронологию изучения явления интерференции света, а также постараюсь раскрыть его сущность с различных точек зрения.

Объяснение явления интерференции

После открытия явления интерференции света его практически сразу же начали изучать. Исаак Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света в тонких пленках.

Количественные исследования в этой области трудны, так как толщина споев - порядка 1/1000 мм. Нужно измерять такие малые толщины. Соответственных устройств для этого тогда небыло. Ньютон обходит трудность этого измерения замечательным приемом. На плоскую стеклянную поверхность он кладет выпуклой стороной плоско-выпуклую линзу - объектив телескопа с очень большим радиусом кривизны (рис. 1). Тогда между нижней плоской и верхней выпуклой поверхностями образуется чрезвычайно тонкий слой воздуха, обнаруживающий пестрые яркие цвета; цветные кольца в белом свете и чередование одноцветных светлых и темных колец - в однородном.

Гвоздь устройства в том, что, во-первых, толщина слоя различна в различных местах, т. е. мы имеем здесь как бы набор слоев различной величины, а главное, геометрия здесь такова, что расстояние от центра до данного места значительно, в несколько сот раз больше толщины слоя в этом месте. Измеряя это расстояние, мы определяем толщину, которая по малости не поддается непосредственному измерению, уже при помощи расчета. Вот результат - основной результат Ньютона. Слой воздуха не отражает, если его толщина h равна некоторой величине d или кратному d: h = d, 2d, 3d и т. д. Это уже замечательное явление. Если отставить нижнюю поверхность, то отражение получается; при присоединении второй поверхности это отражение, как этим опытом показал Ньютон, пропадает. Наоборот, слой сильно отражает, если толщина его равна h = 1/2 d, 3/2 d, 5/2 d и т. д.

Ньютон экспериментально определил эту толщину d, для цвета на границе между красным и желтым она оказалась равной 1/89000 дюйма.

Рис. 1 Установка Ньютона для изучения явления интерференции

Как можно объяснить появление этих колец (называемых кольцами Ньютона) с точки зрения корпускулярной теории света? Падая сверху на линзу, световые лучи на определенных расстояниях от центра либо отражаются, либо преломляются и проходят через установку. В результате чего мы видим систему светлых и темных колец.

Объяснение кольцам Ньютона было дано в начале XIX в. на основе волновой теории света английским ученым Юнгом. Но об этом будет сказано позже. После Ньютона корпускулярная теории света становится общепризнанной. В течение всего XVIII в. ее придерживались почти все физики.

Развитие волновой теории света

Как уже было сказано выше, после работ Ньютона среди ученых держалось твердое убеждение в справедливости корпускулярной теории света. Однако все же и в XVIII в. были ученые, которые возражали против этой теории. Из крупных ученых можно назвать русских академиков М. В. Ломоносова и Л. Эйлера.

Ломоносов считал, что свет - это распространяющееся колебательное движение частиц эфира, т. е. неощутимой среды, заполняющей все мировое пространство и пронизывающей поры весомых тел.

Против корпускулярной теории света, по Ломоносову, говорит то обстоятельство, что световые лучи, проходя через прозрачное тело с разных сторон, не мешают друг другу. Вокруг алмаза, пишет Ломоносов, можно поставить тысячи свечей, так что тысячи пучков света будут пересекать друг друга и при этом ни один луч не будет мешать другому. Этот факт противоречит представлению о том, что свет - это поток световых частиц, но он не противоречит волновой теории света. Подобно волнам на воде, которые проходят через одну и ту же точку не изменяясь, световые волны проходят через прозрачные тела, не мешая друг другу.

Из изложенного видно, что Ломоносов уже подходил к пониманию явления интерференции.

Эйлер, так же как и Ломоносов, высказывался против корпускулярной теории света. Он уже отчетливо представлял свет как волны, распространяющиеся в эфире. При этом Эйлер впервые высказал идею о том что цвет определяется частотой колебаний в световой волне.

Однако ни Ломоносов, ни Эйлер не смогли привлечь ученых на сторону волновой теории света.

Юнг, используя явление интерференции, объяснил появление колец Ньютона. Эти кольца в отраженном свете возникают в результате интерференции двух лучей света, отраженных от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, образованной линзой и стеклянной пластинкой. От толщины этой прослойки будет зависеть разность хода между указанными лучами. В частности, они могут усиливать или гасить друг друга. В первом случае мы видим светлое кольцо, во втором - темное.

Если свет, освещающий установку, белый, то будут наблюдаться цветные кольца. По расположению колец для разных цветов можно подсчитать длину волны соответствующих цветных лучей. Юнг проделал этот расчет и определил длину волны для разных участков спектра. Интересно, что при этом он использовал данные Ньютона, которые были достаточно точными.

Юнг объяснил и другие случаи интерференции в тонких пластинках, а также проделал специальный опыт по интерференции света. Этот опыт, который, как мы говорили, проводил еще Гримальди, известен под названием опыта Юнга.

В данном опыте наблюдается не только явление интерференции, но и явление дифракции света. Если закрыть одно отверстие пальцем, то на экране видны дифракционные кольца, образованные в результате прохождения света через малое отверстие.

Результаты своих исследований по оптике Юнг доложил на ученом заседании Лондонского королевского общества, а также опубликовал их в начале XIX в. Но, несмотря на убедительность работ Юнга, никто не хотел их признавать. Ведь признать правоту выводов Юнга означало отказаться от привычных взглядов и, кроме того, выступить против авторитета Ньютона. На это пока еще никто, кроме самого Юнга, не решался.

На работы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась статья, содержащая грубые нападки на него. Корпускулярная теория света по-прежнему казалась непоколебимой.

Исследования Френеля по интерференции и дифракции света

Французский инженер, ставший впоследствии знаменитым физиком, Огюстен Френепь (1788 - 1827) начал заниматься изучением явлений интерференции и дифракции с 1814 г. Он не знал о работах Юнга, но подобно ему увидел в этих явлениях доказательство волновой теории света.

В 1817 г. Академия наук Франции объявила конкурс на лучшую работу по дифракции света. Френель решил участвовать в этом конкурсе. Он написал работу, в которой изложил результаты своих исследований, и направил ее в Академию наук в 1818 г. В этой работе Френель изложил ряд случаев интерференции света, которые он исследовал. В частности, он описал опыт по интерференции света при прохождении через две соединенные вместе призмы (так называемая бипризма Френеля).

Опыт Френеля ясно показывает случай интерференции от двух источников света. С помощью этого опыта Френель подсчитал длину волны для красного света. При этом она получилась равной длине волны для красного света, определенной из других опытов.

Основное же внимание в своей работе Френель уделил опытам по дифракции света, для которой разработал специальную теорию. Эта теория основывалась на усовершенствованном принципе Гюйгенса, который в последующем стал называться принципом Гюйгенса - Френеля.

По Гюйгенсу, как мы видели выше, волновую поверхность в данный момент времени t можно рассматривать как огибающую всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний, предыдущий момент времени t₀.

По Френелю, значение амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства в момент времени t можно рассматривать как результат интерференции всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний, предыдущий момент времени t₀.

Френель, используя этот принцип, исследовал разные случаи дифракции и рассчитал расположение полос для этих случаев.

Так, он рассмотрел прохождение света через маленькое отверстие и определил, какая картина должна быть видна на экране, поставленном за этим отверстием. По его расчетам, получалось, что на экране будут видны темные и светлые кольца, если свет монохроматический. При этом Френель вычислил радиусы этих колец в зависимости от размеров отверстия, от расстояния источника света до отверстия и расстояния отверстия до экрана, на котором наблюдается дифракционная картина.

Френель описал и другие случаи дифракции света от различных экранов и рассчитал расположение дифракционных полос, исходя из волновой теории. При этом все расчеты Френеля совпадали с результатами, наблюдаемыми на опыте.

Работы, представленные на конкурс, рассматривала специальная комиссия Академии наук. В ее составе были крупнейшие ученые того времени: Араго, Пуассон, Био, Гей-Люссак. Все они держались ньютоновских взглядов на природу света. Естественно, что они недоверчиво отнеслись к работе Френеля. Однако совпадение расчетов Френеля с опытными данными было настолько хорошим, что комиссия не могла отвергнуть работу Френеля и была вынуждена присудить ему премию.

При этом произошел интересный случай. Рассматривая расчеты Френеля, член комиссии Пуассон заметил, что они приводят к парадоксальному результату: согласно Френелю получалось, что в центре тени от круглого экрана должно быть светлое пятно. Однако этого до сих пор никто не наблюдал. Из теории Френеля следовало, что это светлое пятно будет заметно только в том случае, если радиус круглого экрана будет малым. Проделанный опыт подтвердил предсказание теории Френеля, что произвело большое впечатление на членов комиссии.

Итак, комиссия Академии наук присудила премию Френелю за его работу по оптике. Однако это вовсе не значит, что волновая теория была признана правильной. Премия ученому была дана за метод расчета. Что же касалось самих представлений, на основе которых был сделан расчет, т.е. представлений о волновой природе света, то академики, рассматривающие работу Френеля, не согласились с ним.

Они рассуждали примерно так: физические основы теории могут быть неверны, а результаты расчета правильны. Такие случаи история знала. Например, пользуясь теорией Птолемея о строении Вселенной, можно вести расчеты и получать правильные результаты положений небесных светил на небе, однако по существу она неверна.

Нужно сказать в защиту академиков, что, несмотря на блестящие результаты, полученные Френелем, в его теории был определенный изъян. Дело в том, что, кроме интерференции и дифракции, физики уже исследовали поляризацию света. Но теория Френеля вопросов поляризации света не касалась. Более того, казалось, что она не в состоянии их объяснить.

Заключение

Начиная с XIX века взгляды ученых-оптиков постепенно склоняются в пользу волновой теории света. Уже известные кольца Ньютона, цвета тонких пленок и ряд эффектов, говорящих о неаддитивности освещенности от нескольких источников, весьма смутно объяснялись корпускулярной теорией. В первую очередь благодаря работам Томаса Юнга появляется теория интерференции как явления перераспределения световой энергии в пространстве. При соблюдении некоторых условий (когерентность источников) суммарная интенсивность в данной точке может оказаться вдвое больше суммы интенсивностей от двух одинаковых источников света, причем в соседней точке она может оказаться нулевой. Ставший классическим интерференционный опыт Юнга с двумя щелями позволил впервые оценить длину световой волны.

В данном реферате вкратце описаны такие моменты, относящиеся к интерференции света, как развитие волновой теории, опыты Ньютона и Френеля в области интерференции, а также опыты Юнга.

Спасский Б.И. Физика в ее развитии. - М.: Просвещение, 1979;

Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов. - М.: Просвещение, 1986;

3. Вавилов С.И. Исаак Ньютон. Издательство Академии наук СССР, 1960г., 294с.

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.

Некоторые применения интерференции:

Проверка качества обработки поверхностей.

Просветление оптики.

Объективы современных фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и различные другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол – линз, призм и др. Проходя через такие устройства, свет отражается от многих поверхностей. Число отражающих поверхностей в современных фотообъективах превышает 10, а в перископах подводных лодок доходит до 40. При падении света перпендикулярно поверхности доля отраженной от нее энергии составляет 5-9% от всей энергии. Поэтому сквозь прибор часто проходит всего 10-20% поступающего в него света. В результате этого освещенность изображения получается малой. Кроме того, ухудшается 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. На фотографических изображениях, например, по этой причине образуется "вуаль". Для устранения этих неприятных последствий отражения света от поверхности оптических стекол надо уменьшить долю отражаемой энергии света. Даваемое прибором изображения делается при этом ярче, "просветляется". Отсюда и происходит термин просветление оптики . Просветление оптики основано на интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления nп, меньшим показателя преломления стекла nс. Для простоты рассмотрим нормальное падение света на пленку. Разность хода световых волн 1 и 2 (рис. 0), отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки, равна удвоенной толщине пленки 2h. Длина волны lп в пленке меньше длины волны l в вакууме в n раз:

Для того, чтобы волны 1 и 2 ослабляли друг друга, разность хода должна равняться половине длины волны в пленке:

2h = lп/2 = l/2nп (1)

Примером двухлучевого интерферометра может служить интерферометр Майкельсона (рис.1). Параллельный пучок света источника L, попадая на полупрозрачную пластинку P1, разделяется на пучки 1 и 2. После отражения от зеркал M1 и M2 и повторного прохождения через пластинку P1 оба пучка попадают в объектив O2, в фокальной плоскости D которого они интерферируют. Оптическая разность хода D = 2(AC – AB) = 2l, где l – расстояние между зеркалом M2 и мнимым изображением M1¢ зеркала M1 в пластинке P1. Таким образом, наблюдаемая интерференционная картина эквивалентна интерференции в воздушной пластинке толщиной l. Если зеркало M1 расположено так, что M1¢ и M2 параллельны, то образуются полосы равного наклона, локализованные в фокальной плоскости объектива O2 и имеющие форму концентрических колец. Если же M2 и M1¢ образуют воздушный клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина M2M1¢ и представляющие собой параллельные линии.

Интерферометр Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью впервые была измерена абсолютная величина длины света, доказана независимость скорости света от движения Земли. Перемещая одно из зеркал интерферометра Майкельсона, получают возможность плавно изменять D, а зависимость интенсивности центрального пятна от D, в свою очередь, дает возможность анализировать спектральный состав падающего излучения с разрешением 1/D см-1. На этом принципе построены Фурье-спектрометры, применяющиеся для длинноволновой инфракрасной области спектра (50–1000 мкм) при решении задач физики твердого тела, органической химии и химии полимеров, диагностики плазмы.

Существуют двухлучевые интерферометры, предназначенные для измерения показателей преломления газов и жидкостей,– интерференционные рефрактометры. Один из них – интерферометр Жамена (рис. 3). Пучок света S после отражения от передней и задней поверхностей первой пластины P1 разделяется на два пучка S1 и S2. Пройдя через кюветы K1 и K2, пучки, отразившиеся от поверхностей пластины P2, попадают в зрительную трубу T, где интерферируют, образуя полосы равного наклона. Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n1, а другая с n2, то по смещению интерференционной картины на число полос m по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти Dn=n1–n2=ml/l (l – длина кюветы).

Разновидностями интерферометра Жамена являются интерферометр Маха – Цендера и интерферометр Рождественского (рис.4), где используются две полупрозрачные пластинки P1 и P2 и два зеркала M1 и M2. В этих интерферометрах расстояние между пучками S1 и S2 может быть сделано очень большим, что облегчает установку в один из них различных исследуемых объектов, поэтому они широко применяются в аэрогазодинамических исследованиях.

Для измерения угловых размеров звезд и угловых расстояний между двойными звездами применяется звездный интерферометр Майкельсона (рис. 6). Свет от звезды, отразившись от зеркал M1, M2, M3, M4, образует в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину. Угловое расстояние между соседними максимумами q = l/D (рис. 6, б). При наличии двух близких звезд, находящихся на угловом расстоянии j, в телескопе образуются две интерференционные картины, также смещенные на угол j. Изменением D добиваются наихудшей видимости картины, что будет при условии j = 1/2q = l/2D, откуда можно определить j.

Многолучевой интерферометр Фабри – Перо (рис. 7) состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок P1 и P2, не обращенные друг другу и параллельные между собой поверхности которых нанесены зеркальные покрытия с высоким (85–98%) коэффициентом отражения. Параллельный пучок света, падающий из объектива O1, в результате многократных отражений от зеркал образует большое число параллельных, когерентных пучков с постоянной разностью хода между соседними пучками. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости L объектива O2 образуется интерференционная картина, имеющая форму концентрических колец с резкими интенсивными максимумами, положение которых зависит от длины волны. Поэтому интерферометр Фабри – Перо разлагает сложное излучение в спектр. Применяется интерферометр Фабри – Перо как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы. Специальные сканирующие интерферометры Фабри – Перо с фотоэлектрической регистрацией используются для исследования спектров в видимой, инфракрасной и сантиметровой областях длин волн. Разновидностью интерферометра Фабри – Перо являются оптические резонаторы лазеров, излучающая среда которых располагается между зеркалами интерферометра. К многолучевым интерферометрам также относятся различного рода дифракционные решетки, которые используются как интерференционные спектральные приборы.

Читайте также: