Интерференция света и ее практическое применение.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 6Следующая ⇒

Свет — это электромагнитные волны высокой частоты, излучаемые атомами вещества, а также частицами, которые имеют электрический заряд и движутся с огромным ускорением.

Световые волны по их частоте (длине волны в вакууме) и восприятию органами зрения человека разделяются на видимое излучение, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи.

λ в вакууме:

- видимое излучение: 0, 76 мкм — 0, 4 мкм;

- инфракрасные лучи: 0, 76 мкм — 1 мм;

- ультрафиолетовые лучи: 0, 4 мкм — 10 нм.

Свет одной определенной частоты (длины волны) называется монохроматическим светом.

Волны распространяются независимо друг от друга.

Складываются (геометрически) смещения частиц среды, до которых доходят волны от нескольких источников волн (принцип суперпозиции).

Интерференция света – явление наложения двух световых волн в пространстве, в результате чего образуется постоянная во времени картина распределения амплитуд результирующих колебаний.

Геометрической разностью хода Δ _ο двух волн (лучей) называется разность расстояний l₁, l₂, проходенных волнами (лучами) от источников S₁, S₂ к данной точке Р: .

Оптической разностью хода называется величина

где n₁, n₂– показатели преломления сред, в которых распространяются данные волны (лучи).

Если n₁ = n₂ = n (однородная среда), то .

Если источники волн когерентны, образуется устойчивая интерференционная картина. Когерентные источники — это источники, имеющие одинаковые частоту и фазу колебаний или у которых разность фаз колебаний остается постоянной.

Разность фаз δ когерентных волн определяется их оптической разностью хода Δ: ,

где λ – длина световой волны в вакууме.

В однородной среде:

где Δ _ο – геометрическая разность хода, – длина световой волны в данной среде.

Условия образования максимумов и минимумов:

— оптическая разность хода равна целому числу длин волн или четному числу полуволн;

— оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн, где m = 0, 1, 2, ... – целые числа, которые называются порядком (номером) интерференционной полосы.

Стоячие волны — постоянная интерференционная картина при наложении отраженной и падающей волн. Точки максимальных колебаний (А = А₁ + А₂) называются пучностями стоячей волны, а точки с минимальными колебаниями называются узлами стоячей волны. Расстояние между ближайшими узлами или пучностями называется длиной стоячей волны.

Интерференция белого света в тонких пленках.

При отражении света от верхней и нижней поверхностей тонкой пленки возникает разность хода световых волн, обусловливающая интерференцию при их дальнейшем наложении.

В отраженном свете:

- геометрическая разность хода ,

- оптическая разность хода ,

где потеря полуволны при отражении от более плотной среды.

В проходящем свете потери полуволны не бывает, поэтому, если в отраженном свете происходит ослабление света (оптическая разность хода — нечетное число полуволн), то в проходящем свете — его усиление (четное число полуволн), или наоборот.

Наблюдение интерференции белого света по Ньютону:

1) Если тонкую пленку с плоскопараллельными гранями осветить монохроматическим светом и изменить углы его падения, пленка будет иметь вид то темной, то ярко окрашенной (волновая разность хода зависит от угла падения света).

2) Если тонкая пленка равна по наклону (клин), то вдоль пленки разность хода равномерно изменяется и наблюдается ряд светлых и темных полос. При освещении белым светом интерференционные полосы окрашены во все цвета спектра видимого излучения в соответствии с увеличением длины волны света — интерференционный спектр (рис. 304).

3) Кольца Ньютона — это интерференция белого света в тонком слое воздуха между стеклянными пластинками — плоской и выпуклой сферической. Наблюдаем интерференционные полосы, окрашенные во все цвета радуги, в виде колец (кольца Ньютона).

Интерференция белого света в пленках на воде, мыльных пузырях и т. д. дает хаотическую окраску, так как наклон и толщина пленки хаотически изменяются.

Применение интерференции

Применения интерференции очень важны и обширны.

Существуют специальные приборы — интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции. Назначение их может быть различным: точное измерение длин световых волн, измерение показателя преломления газов и других веществ. Имеются интерферометры специального назначения.

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 до 10-6 см вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани эталонной пластины.}

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 от нее отражается 5-9% 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 изображение 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 n_п, меньшим показателя преломления стекла n_с. Для простоты рассмотрим случай нормального падения света на пленку.

Разность хода световых волн 1 и 2, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки, равна удвоенной толщине пленки 2h. Длина волны λ _п в пленке меньше длины волны λ в вакууме в n_п раз:

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

Если амплитуды обеих отраженных волн одинаковы или очень близки друг к другу, то гашение света будет полным. Чтобы добиться этого, подбирают соответственным образом показатель преломления пленки, так как интенсивность отраженного света определяется отношением коэффициентов преломления двух граничащих сред.

На линзу при обычных условиях падает белый свет. Выражение показывает, что требуемая толщина пленки зависит от длины волны. Поэтому осуществить гашение отраженных волн всех частот невозможно. Толщину пленки подбирают так, чтобы полное гашение при нормальном падении имело место для длин волн средней части спектра (зеленый цвет, λ _з=5, 5·10^{-5 см); она должна быть равна четверти длины волны в пленке:}

Отражение света крайних участков спектра – красного и фиолетового – ослабляется незначительно. Поэтому объектив с просветленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок.

Для задач:

1. Расстояние между интерференционными полосами на экране, расположенном параллельно двум когерентным источникам света, равно:

где λ — длина волны света, L — расстояние от экрана до источников света, отстоящих друг от друга на расстоянии d при этом L > > d.

2. Результат интерференции света в плоскопараллельных пластинках (в проходящем свете) определяется формулами:

усиление света (k = 0, 1, 2, ...),

ослабление света (k = 0, 1, 2, ...),

где h — толщина пластинки, n — показатель преломления, r — угол преломления, λ — длина волны света.

В отражённом свете условия усиления и ослабления света обратны условиям в проходящем свете.

3. Радиусы светлых колец Ньютона (в проходящем свете) определяются формулой: (k = 0, 1, 2, ...),

радиусы темных колец: (k = 0, 1, 2, ...),

где R— радиус кривизны линзы.

В отраженном свете расположение светлых и темных колец обратно их расположению в проходящем свете.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒