Главная | Обратная связь

Практичне застосування інтерференції світла

Явище інтерференції світла використовують для створення різних оптичних приладів, за допомогою яких можна виконувати такі операції:

- вимірювати довжини світлової хвилі з великою точністю;

- вимірювати лінійні розміри тіл і коефіцієнти лінійного розширення тіл;

- визначити якість і точність шліфування різних поверхонь;

- вимірювати показники заломлення газоподібних, рідких і твердих тіл;

- вимірювати кутові розміри небесних тіл;

- вивчати і контролювати однорідність речовин;

- вивчати структури спектрів різних речовин;

- досліджувати ударні хвилі у газах.

За допомогою явища інтерференції можна виготовляти інтерференційні світлофільтри і вдається значно зменшити від­бивання світла від оптичних систем.

Розглянемо більш детально деякі практичні застосування явища інтерферен­ції.

О. Смакула розробив спосіб прос­вітлення оптики для зменшення втрат світла, зумовлених його відбиванням на межі поділу двох середовищ, оскільки проход­ження світла через кожну заломну поверхню лінзи супроводжується відбиттям падаючого потоку світла. У складних об’єктивах число відбивань велике і сумарна втрата світлового потоку досить значна, що приводить до зменшення світлосили оптичних приладів. Крім того, відбивання від поверхні лінз приводить до виникнення бліків.

Щоб елементи оптичних систем зробити просвітленими, їх поверхні покривають прозорими плівками речовин, показ­ник заломлення яких менший, ніж скла.

При відбиванні світла від межі поділу повітря – плівка і плівка-скло виникає інтерференція когерентних хвиль і (рис. 216). Товщину плівки d і показники заломлення скла і плівки n можна підібрати так, щоб хвилі, які інтерферують, гасили одна одну. Для цього їх амплітуди повинні бути рівні, а оптична різниця ходу

.

Розрахунки показують, що амплітуди відбитих хвиль рівні, якщо .

Речовину плівки підбирають так, щоб виконувалась умова , де - показник заломлення повітря. Втрата півхвилі в цьому випадку відбувається на обох поверхнях. Умова мінімуму при куті падіння i=0 має такий вигляд

.

Для мінімальної товщини плівки m=0, і тоді

.

Ця формула показує, що неможливо добитися одночасного гасіння для всіх
довжин хвиль видимого спектра. Тому ця умова повинна виконуватись для довжини хвиль , яка найбільше сприймається людським оком.

Отже, якщо і оптична товщина плівки дорівнює , то в результаті інтерференції спостерігається гасіння відбитих хвиль.

Явище інтерференції використовують у ряді дуже точних вимірювальних приладів, які називають інтерферометрами.

Розглянемо схему інтерферометра Жамена, який застосовують для точних вимірювань показників заломлення газів і їх залежності від температури, тиску і вологості (рис. 217).

Дві зовсім однакові скляні товсті плоскопаралельні пластини та установлені майже паралельно одна до одної. Поверхні AB і CD – дзеркальні. Промені світла довжиною від монохроматичного джерела S падають на поверхню пластини А під різними кутами і, близькими до . На рисунку показано лише один падаючий промінь. Внаслідок його відбивання від поверхонь AB і пластини з неї виходять дві когерентні паралельні хвилі 1 і 2. Пройшовши крізь дві цілком однакові закриті скляні кювети і довжиною l, ці хвилі відбиваються поверхнями CD і пластини . В результаті виникають чотири промені і , і з яких промені і накладаються один на одного і інтерферують.

Інтерференційні смуги однакового нахилу розглядають за допомогою окуляра.

Якщо одну з кювет заповнено газом з відомим показником заломлення n, а другу – газом з показником заломлення , який треба виміряти, то оптична різниця ходу між інтерферуючими хвилями . Якщо ця різниця ходу то вся інтерференційна картина зміститься на m смуг. Визначивши m, мож­на знайти показник заломлення :

.

Внаслідок великої чутливості інтерферометра, його використовують для вимірювання показників заломлення газів, що мало відрізняються від одиниці.

Розглянемо спрощену схему інтерферометра Майкельсона (рис. 218).

Монохроматичне світло від джерела S падає під кутом на плоскопаралельну пластинку . Сторона пластинки AB, яка посріблена і напівпрозора, розділяє промінь на дві частини: промінь 1, який відбивається від посрібленого шару і промінь 2, що проходить крізь нього. Промінь 1 відбивається від дзеркала і повертається назад, знову проходить через пластинку . Промінь 2 поширюється до дзеркала , відбивається від нього, повертається назад і відбивається від пластинки . Оскільки промінь 1 проходить пластину двічі, то для компенсації різниці ходу, яка виникає на шляху другого променя, ставиться пластинка , яку називають компенсатором.

Дзеркала і розміщують
перпендикулярно одне до одного. Одне з них може переміщатися за допомогою мікрометричних гвинтів паралельно само до себе.

Хвилі і - когерентні; отже, за допомогою зорової труби буде спостерігатися інтерференційна картина. Оптична різниця хвиль і , де – абсолютний показник заломлення повітря, а і - відстані від точки О до дзеркал і .

Якщо , то буде інтерференційний максимум. Переміщення одного з дзеркал на відстань приводить до виникнення інтерференційного мінімуму. Отже, за зміною інтерференційної картини можна зробити висновки про малі переміщення одного з дзеркал і тим самим використати інтерферометр Майкельсона для точних вимірювань довжини світлової хвилі, довжини тіла, зміни довжини тіла при зміні температури Похибки при вимірюванні довжини .

Інтерферометр Майкельсона можна використати для знаходження незначних змін показника заломлення прозорих тіл залежно від тиску, температури, домішок. Такий інтерферометр називається інтерференційним рефрактометром.

В.П. Лінник використав принцип дії інтерферометра Майкельсона для створення мікроінтерферометра – високочутливого приладу, який використовується для контролю чистоти обробки поверхонь металевих виробів. Світло від джерела S падає на скляний кубик А (рис. 219), який складається з двох половин, склеєних по діагональній площині.

Одну із спостережуваних поверхонь напівпосріблено так, що вона частково пропускає, а частково відбиває промені, які падають на неї. Промінь 1, який пройшов через кубик, попадає на дзеркало , відбивається і, пройшовши знову через кубик, йде в мікроскоп M. Промінь 2 відбивається від напівпрозорої площини, падає на поверхню BC, яка досліджується, відбивається від неї і проходить через кубик в мікроскоп. Дзеркало нахилено під невеликим кутом . Зав­дяки цьому при ідеальній гладкій поверхні BC в полі зору мікроскопа видно інтерференційні смуги однакової товщини повітряного проміжку між кубиком і дзеркалом. У тих місцях поверхні ВС, де є виступи або заглибини, інтерференційні смуги викривлятимуться. За допомогою цього приладу можна виявити штрихи на поверхні деталі, глибина яких дорівнює .

СМАКУЛА ОЛЕКСАНДР

(1900-1983)

Отримав в 1937р. патент на винахід способу просвітленої оптики. Предметом винаходу було: зменшення втрат світла, зумовлених його відбиванням на межі розділу двох середовищ, методом нанесення тонких шарів, товщина яких 1/4 довжини хвилі, а також спосіб одержання цих покриттів.

БОРЗЯК ПЕТРО ГРИГОРОВИЧ

(1903-2000)

Відкрив (1952 р.) інтерференційний спосіб підвищення ефективності катодів: слід вибирати товщину катода, нанесеного на дзеркальну підкладку такою, щоб, внаслідок інтерференції, була максимальною напруженість поля світлової хвилі в шарі, товщина якого дорівнює глибині виходу.

ЛІННИК ВОЛОДИМИР ПАВЛОВИЧ

(1889-1984)

Вперше розробив інтерференційні методи контролю шорсткості й правильності форми крупногабаритних металевих поверхонь – мікроінтерферометр. За його допомогою можна виявити штрихи на поверхні деталі, глибина яких дорівнює (2¸3)*10-7 м.

§93. Дифракція світла.
Принцип Гюйгенса-Френеля

Дифракцією називається сукупність явищ, що спостерігаються при поширенні світла в середовищі з різними неоднорідностями (поблизу границь непрозорих або прозорих тіл, через малі отвори) і які пов’язані із зміною напрямку поширення світлових хвиль (порівняно з напрямком, передбаченим геометричною оптикою).

Дифракція, зокрема, приводить до огинання світловими хвилями перешкод і проникнення світла в область геометричної тіні.

Між інтерференцією і дифракцією немає суттєвої фізичної відмінності. Інтерференція хвиль – це перерозподіл інтенсивності, який виникає в результаті суперпозиції хвиль, що збуджуються скінченним джерелом когерентних джерел. Перерозподіл інтенсивності, який виникає внаслідок суперпозиції хвиль, що збуджуються когерентними джерелами, які розміщені неперервно, називається дифракцією хвиль.

Явище дифракції пояснюється за допомогою принципу Гюйгенса:

кожна точка, до якої доходить хвиля, служить центром вторинних хвиль, а обвідна цих хвиль дає положення хвильового фронту в наступний момент часу.

Як приклад застосування принципу Гюйгенса розглянемо падіння плоскої хвилі на перешкоду з отвором (рис. 220).

Коли хвильовий фронт доходить до перешкоди, то кожна точка отвору стає джерелом вторинних хвиль, а обвідна цих хвиль задає фронт хвилі, що пройшла через отвір. Цей фронт плоский лише в се­редній частині, а біля границі отвору відбувається загинання хвильового фронту, тобто хвиля проникає в область геометрич­ної тіні, огинаючи краї перешкоди.

Принцип Гюйгенса – суто геометричний спосіб побудови хвильових поверхонь – розв’язує лише задачу про напрямок поширення хвильового фронту, але не зачіпає, по суті, питання про амплітуду, а отже, і про інтенсивність хвиль, що поширюються в різних напрямках. Френель вклав у принцип Гюйгенса фізичний зміст, доповнивши його ідеєю інтерференції вторинних хвиль. Принцип Гюйгенса-Френе­ля можна виразити такими положеннями:

1). під час розрахунку амплітуди світло­вих коливань, що збуджуються джерелом в довільній точці М, джерело можна замінити еквівалентною йому системою вторинних джерел – малих ділянок dS будь-якої замкненої допоміжної поверхні S, проведеної так, щоб вона охоплювала джерело і не охоплювала розглядувану точку М;

2). вторинні джерела, які еквівалентні джерелу , когерентні між собою, тому вторинні хвилі, збуджені ними, інтерферують, і розрахунок інтерференції найбільш простий, якщо S – хвильова поверхня для світла джерела , оскільки при цьому фази коливань всіх вторинних джерел однакові;

3). амплітуда коливань, що збуджуються в точці М вторинним джерелом, пропорційна до площі dS відповідної ділянки хвильової поверхні обернено пропорційна до від­стані r від неї до точки М і залежить від кута між зов­нішньою нормаллю до хвильової поверхні і напрямком від елемента dS до точки М (рис. 221):

,

де – фаза коливань в місці розміщення хвильової поверхні, a – величина, яка пропорційна до амплітуди первинних хвиль в точках елемента dS; монотонно спадає від 1 при до 0 при (вторинні джерела не випромінюють назад); кут називається кутом дифракції.

4). якщо частина поверхні S закрита не­прозорими екранами, то вона не випро­мінює енергію, а інші випромінюють так само, як і за відсутності екранів.

Врахування амплітуд і фаз вторинних хвиль дозволяє в кожному конкретному випадку знайти амплітуду результуючої хвилі в довільній точці простору, тобто визначити закономірності поширення світла. В загальному випадку розрахунок інтерференцій вторинних хвиль досить
складний і громіздкий, однак для ряду випадків знаходження амплітуди результуючого коливання здійснюється алгебраїчним або геометричним додаванням.

Результуюче коливання в точці М є суперпозицією коливань , взятих для всієї хвильової поверхні S:

.

Ця формула є аналітичним виразом принципу Гюйгенса-Френеля.