Координаты минимумов и максимумов интенсивности.

Оптическая длина путей лучей. Условия получения интерференционных максимумов и минимумов.

В вакууме скорость света равна , в среде с показателем преломления n скорость света v становится меньше и определяется соотношением (1.52)

Длина волны в вакууме , а в среде - в n раз меньше чем в вакууме (1.54):

При переходе из одной среды в другую частота света не изменяется, так как вторичные электромагнитные волны, излучаемые заряженными частицами в среде, есть результат вынужденных колебаний, совершающихся с частотой падающей волны.

Пусть два точечных когерентных источника света и излучают монохроматический свет (рис.1.11). Для них должны выполнятся условия когерентности: . До точки P первый луч проходит в среде с показателем преломления путь , второй луч проходит в среде с показателем преломления - путь . Расстояния и от источников до наблюдаемой точки называются геометрические длины путей лучей. Произведение показателя преломления среды на геометрическую длину пути называется оптической длиной пути L=ns. L_{1 =} и L_{1 =} - оптические длины первого и второго путей, соответственно.

Пусть и - фазовые скорости волн.

Первый луч возбудит в точке P колебание:

, (1.87)

а второй луч - колебание

, (1.88)

Разность фаз колебаний, возбуждаемых лучами в точке P, будет равна:

, (1.89)

Множитель равен ( - длина волны в вакууме), и выражению для разности фаз можно придать вид

, (1.90)

где

, (1.91)

есть величина, называемая оптической разностью хода. При расчете интерференционных картин следует учитывать именно оптическую разность хода лучей, т. е. показатели преломления сред, в которых лучи распространяются.

Из формулы (1.90) видно, что если оптическая разность хода равна целому числу длин волн в вакууме

, (1.92)

то разность фаз и колебания будут происходить с одинаковой фазой. Число m называется порядком интерференции. Следовательно, условие (1.92) есть условие интерференционного максимума.

Если равна полуцелому числу длин волн в вакууме,

, (1.93)

то , так что колебания в точке P находятся в противофазе. Условие (1.93) - условие интерференционного минимума.

Итак, если на длине равной оптической разности хода лучей , укладывается четное число длин полуволн, то в данной точке экрана наблюдается максимум интенсивности. Если на длине оптической разности хода лучей укладывается нечетное число длин полуволн, то в данной точки экрана наблюдается минимум освещенности.

Напомним, что если два пути лучей оптически эквивалентны, они называются таутохронными. Оптические системы - линзы, зеркала - удовлетворяют условию таутохронизма.

Интерференция в тонких пленках.

Полосы равной толщины.

Полосы равной толщины, один из эффектов оптики тонких слоев, в отличие от полос равного наклона, наблюдаются непосредственно на поверхности прозрачного слоя переменной толщины (рис. 1). Возникновение П. р. т. обусловлено интерференцией света, отражённого от передней и задней границ слоя (П. р. т. в отражённом свете), или света, проходящего прямо через слой, с дважды отражённым на его границах (П. р. т. в проходящем свете). Полосами в строгом смысле (отчётливыми, попеременно тёмными и светлыми) обычно являются лишь П. р. т. монохроматическом свете или близком к нему (свете, длины волн  которого заключены в сравнительно небольшом интервале). При этом максимумы и минимумы освещённости полос совпадают с линиями на поверхности слоя, по которым разность хода интерферирующих лучей одинакова и равна целому числу /2. На этих линиях одинакова геометрическая толщина слоя — отсюда название «П. р. т.». При освещении белым светом наложение П. р. т., отвечающих лучам с разными , создаёт сложную радужно-цветовую картину, в которой П. р. т. лучей с отдельными  зачастую неразличимы. П. р. т. обусловливают радужную окраску тонких плёнок (мыльных пузырей, масляных и бензиновых пятен на воде, плёнок окислов на металлах, в частности цвета побежалости, и пр.). Их используют для определения микрорельефа тонких пластинок и плёнок (рис. 2), в ряде интерферометров и др. устройств для точных измерении (см., например, Ньютона кольца и рис. к этой статье; кольца Ньютона — частный пример П. р. т.).

Рис. 1. Разность хода интерферирующих лучей, отражённых от верхней и нижней границ тонкого слоя, зависит от углов падения освещающих лучей. Однако разброс этих углов даже в случае протяжённых источников света обычно столь невелик, что разность хода, приобретаемая в точке М слоя лучами 1—1' и 2—2'; которые испущены разными участками (S₁ и S₂) источника, практически одинакова. Поэтому полосы равной толщины локализованы непосредственно на поверхности слоя и их можно наблюдать без вспомогательных оптических устройств (линза на рис. может быть хрусталиком глаза). М' — точка на сетчатке глаза (или — при использовании дополнительной линзы — на экране), где фокусируется изображение точки М поверхности слоя, т. е, одной из точек линии равной толщины.

Рис. 2. Полосы равной толщины на поверхности слюдяной пластинки, характеризующие микрорельеф этой поверхности.

рис. 1 рис. 2

Кольца Ньютона.

Кольца Ньютона - интерференционная картина, возникающая в проходящем или отраженном свете в окрестности точки соприкосновении выпуклой поверхности с плоскостью.

После отражения лучей на границах раздела стекло-воздух и воздух стекло лучи интерферируют, образуют интерференционную картину в виде концентрических колец.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Это оптическое явление, возникающеев тех случаях, когда в компьютер импортируется изображение с прозрачной пленки. Подобно радуге, появляющейся на поверхности мыльного пузыря, кольца появляются при плотном соприкосновении двух поверхностей, когда между ними возникает очень тонкий промежуток. Появляются, так называемые, интерференционные полосы. Чтобы избежать этого явления при сканировании прозрачных пленок, нужно класть пленку лицевой стороной прямо на стеклянную поверхность сканера.

Применение интерференции.

Практическое применение интерференции света разнообразно: контроль качества поверхностей, создание светофильтров, просветляющих покрытий, измерение длины световых волн, точное измерение расстояния и др. На явлении интерференции света основана голография.

Применение голографии при неразрушающем контроле материалов.

Типичная оптическая схема голографической установки приведена на (рис.4) Лазер 1 испускает монохроматический пучок света, который делится на два с помощью светоделительной пластинки 2, пучок А предметная волна - через систему зеркал 3 и 7 и линз 4 и 8 направляется на объект 5, отражается от него и попадает на фотопластинку 6, где интерферирует с опорной волной Б. Все элементы установки крепятся на одной жесткой поверхности, чтобы избежать даже весьма малых перемещений в процессе съемки голограммы. Метод голографической интерферометрии заключается в последовательной записи на одной фотопластинке двух голограмм от одного объекта, однако в промежутке между записями объект подвергается какому – либо воздействию (механическому деформированию, нагреванию и т.п.). В результате этого оптическая длина пути предметных волн, отражённых до и после воздействия, оказывается различной, возникают дополнительная разность хода и, соответственно, некоторый сдвиг фаз обеих волн.

При считывании такой голограммы воспроизводятся обе предметные волны, которые интерферируют. Если деформация объекта невелика (соизмерима с длиной волны l ), то изображение объекта будет четким, но покрытым интерференционными полосами, ширина и форма которых количественно позволяют описать деформации объекта, так как вид полос в каждой точке поверхности пропорционален изменению оптической длины пути.

Голографическая интерферометрия применяется так же для обнаружения дефектов в том случае, если они (трещины, пустоты, неоднородности свойств материала, и т.п.) приводит к аномальной деформации поверхности объекта при нагружении. Деформации обнаруживаются по изменению интерференционной картины по сравнению с картиной, возникающей без дефектного образца.

При голографическом интерференционном неразрушающем контроле используют различные способы нагружения. Например, при механическом нагружении обнаруживаются и локализуются микротрещины длиной в несколько миллиметров, как на поверхности материала, так и в близи неё. Такие исследования проводятся, в частности, для обнаружения трещин в бетоне и наблюдении за их ростом.

Голографическая интерферометрия используется для изучения качества соединения в полых конструкциях, тогда используется нагружение под давлением и вакуумное нагружение. Деформация в дефектных областях и, следовательно, интерференционные картины отличаются от деформации других участков конструкции.

Часто применяется термическое нагружение. Этот метод основан на изучении поверхностных деформаций, возникающих при изменении температуры поверхности. В зоне дефекта искажается температурное поле, что приводит к локальному изменению деформации и, следовательно, к искажению интерференционной картины. Благодаря высокой чувствительности голографической интерферометрии, регистрируемые деформации появляются при изменении температуры объекта всего на несколько градусов по сравнению с температурой окружающей среды.

Просветление оптики.

Просветле́ние о́птики — нанесение для увеличения светопропускания (прозрачности) объектива на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки, преломляющая способность которой меньше преломляющей способности стекла линз.

Толщина такой плёнки, например из кремниевой кислоты, равняется 1/4 длины световой волны. Только в этом случае лучи, отражённые от её наружной и внутренней сторон, погасятся вследствие интерференции и их интенсивность станет равной нулю. Коэффициент преломления просветляющей плёнки должен равняться квадратному корню коэффициента преломления оптического стекла линз.

Просветляющая плёнка уменьшает светорассеяние, что увеличивает контраст оптического изображения, отчего фотографии получаются более детализированными.

Просветлённый объектив требует бережного обращения, так как плёнка, нанесенная на поверхность линз, легко повреждается. Особенно она разрушается маслом и жиром, попадающим на линзу.

Дифракция.

Дифра́кция све́та - отклонение света от прямолинейного распространения при прохождении его через малое отверстие или узкие щели (0,1-1,0 мм). В этом случае лучи света распространяются не только прямо, но и в стороны, отчего вокруг светлого кружка или светлой полосы появляется цветная кайма - дифракционные кольца или полосы. Первые легко наблюдать, если смотреть сквозь малое отверстие на стоящий недалеко источник света. Чем меньше отверстие, тем больше диаметр первого кольца дифракции. С увеличением отверстия его диаметр уменьшается. Дифракция ухудшает резкость изображения при очень сильном диафрагмировании объектива. Она начинает сказываться с относительного отверстия 1:8-1:11.

Принцип Гюйгенса-Френеля.

Гюйгенса-Френеля принцип,приближённый метод решения задач о распространении волн, особенно световых. Согласно первоначальному принципу Х. Гюйгенса (1678), каждый элемент поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных волн, причём огибающая этих элементарных волн будет волновой поверхностью в следующий момент времени (рис. 1); обратные элементарные волны (пунктир на рис. 1) не должны приниматься во внимание. Этот принцип позволяет упростить задачу определения влияния всего волнового процесса, совершающегося в некотором объёме пространства, на какую-либо точку, сведя её к вычислению действия на данную точку произвольно выбранной волновой поверхности. Принцип Гюйгенса даёт объяснение распространения волн, согласующееся с законами геометрической оптики, но не объясняет явлений дифракции (см. Дифракция волн). О. Ж. Френель (1815) дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности элементарных волн и их интерференции.

Согласно Г. - Ф. п., волновое возмущение в некоторой точке Р (рис. 2) можно рассматривать как результат интерференции элементарных вторичных волн, излучаемых каждым элементом некоторой волновой поверхности. На рис. 2 такой поверхностью является сферическая поверхность волны AOB, излучаемой точечным источником S. Если рассматривается распространение волн, ограниченное каким-либо препятствием (например, отверстие в непрозрачном экране, как на рис. 2), то целесообразно выбрать волновую поверхность так, чтобы она касалась краев препятствия.

Метод зон Френеля.

Вычисление интеграла в пункте в общем случае - трудная задача.

В случаях, если в задаче существует симметрия, амплитуду результирующего колебания можно найти методом зон Френеля, не прибегая к вычислению интеграла.

Пусть от источника света S распространяется монохроматическая сферическая волна, P - точка наблюдения. Через точку O проходит сферическая волновая поверхность. Она симметрична относительно прямой SP. Разобьем эту поверхность на кольцевые зоны I, II, III и т.д. так, чтобы расстояния от краев зоны до точки P отличались на λ/2 - половину длины световой волны. Это разбиение было предложено O. Френелем и зоны называют зонами Френеля.

Что дает такое разбиение для расчета интенсивности в точке P? Возьмем произвольную точку 1 в первой зоне Френеля. В зоне II найдется, в силу правила построения зон, такая соответствующая ей точка, что разность хода лучей, идущих в точку P от точек 1 и 2 будет равна λ/2. Вследствие этого колебания от точек 1 и 2 погасят друг друга в точке P.

Из геометрических соображениях следует, что при не очень больших номерах зон их площади примерно одинаковы. Значит каждой точке первой зоны найдется соответствующая ей точка во второй, колебания которых погасят друг друга. Амплитуда результирующего колебания, приходящего в точку P от зоны с номером m, уменьшается с ростом m, т.е.

Происходит это из-за увеличения с ростом m угла между нормалью к волновой поверхности и направлением на точку P. Значит гашение колебаний соседних зон будет не совсем полным.

Дифракция Френеля.

Пусть на пути сферической световой волны, испускаемой источником S, расположен непрозрачный экран с круглым отверстием радиуса r₀. Если отверстие открывает четное число зон Френеля, то в точке P будет наблюдаться минимум, так как все открытые зоны можно объединить в соседние пары, колебания которых в точке P приблизительно гасят друг друга.

При нечетном числе зон в точке P будет максимум, так как колебания одной зоны останутся не погашенными.

Можно показать, что радиус зоны Френеля с номером m при не очень больших m:

.

Расстояние "a" примерно равно расстоянию от источника до преграды, расстояние "b" - от преграды до точки наблюдения P.

Если отверстие оставляет открытым целое число зон Френеля, то, приравняв r₀ и r_m, получим формулу для подсчета числа открытых зон Френеля:

.

При m четном в точке P будет минимум интенсивности, при нечетном - максимум.

Пятно Пуассона.

es

С помощью спирали Френеля можно получить еще один замечательный результат. Действительно, если на пути сферической волны находится непрозрачное круглое отверстие (любого размера), то оказывается закрытым какое-то число внутренних зон Френеля. Но вклад в колебания в точке наблюдения, находящегося в центре геометрической тени,будут давать остальные зоны. В результате в этой точке должен наблюдаться свет.

Этот результат показался в свое время Пуассону столь невероятным, что он выдвинул его как возражение против рассуждений и расчетов Френеля при рассмотрении дифракции. Однако, когда был проведен соответствующий опыт, такое светлое пятнышко в центра геометрической тени было обнаружено. С тех пор оно носит название пятна Пуассона, хотя он не допускал и самой возможности его существования.

Пятно Пуассона – светлое пятно в центре геометрической тени от непрозрачного объекта. Пятно Пуассона обусловлено загибанием света в область геометрической тени.