Применен— интерференции свете

Явление интерференции обусловлено волновой природой света; его количественные закономерности зависят от длины волны ^ Поэтому это явление применяется для подтверждения волновой природы света и для измерения длин волн(нгерферевщюнная аюггроосо—).

Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (прпги пени мггвкя) и получения высокоотражающих покрытий. Прохожде­ние света через каждую преломляющую поверхность линзы, например через границу стекло — воздух, сопровождается отражением »4% падающего потока (при показа­теле преломления стекла »1,5). Так как современные объективы содержат большое количество линз, то число отражений в них велико, а поэтому велики и потери светового потока. Таким образом, интенсивность прошедшего света ослабляется и све­тосила оптического прибора уменьшается. Кроме того, отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов, что часто (например, в военной технике) демаскирует положение прибора.

Для устранения указанных недостатков осуществляют так называемое просветле­ние оптики. Для этого на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показа­телем преломления, меньшим, чем у материала линзы. При отражении света от границ раздела воздух — пленка и пленка — стекло возникает интерференция когерентных лучей /' и 7 (рис. 253). Толщину пленки а и показатели преломления стекла Пс и пленки л можно подобрать так, чтобы волны, отраженные от обеих поверхностей пленки, гасили друг друга. Для этого их амплитуды должны быть равны, а оптическая

разность хода равна (2д»+1)— (см. (172.3)). Расчет показывает, что амплитуды от­

раженных лучей равны, если

я = (175.1)

Так как Лс, л и показатель преломления воздуха «о удовлетворяют условиям Пд>я>ло,

Рис. 252

• Почему центр колец Ньютона, наблюдае­мых в проходящем свете, обычно светлый?

• Между двумя пластинками имеется воздуш­ный клин, освещая который монохромати­ческим светом наблюдают интерференци­онные полосы. Как изменится расстояние между полосами, если пространство запол­нить прозрачной жидкостью?

то потеря полуволны происходит на обеих поверхностях; следовательно, условие минимума (предполагаем, что свет падает нормально, т. е. (=0)

гдеп^—(

2ж/= (2от+1)"

•см. Обычно принимают т==0, тогда ж/» ^4.

Таким образом, если выполняется условие (175.1) и оптическая толщина пленки равна /1о/4, то в результате интерференции наблюдается гашение отраженных лучей. Таккак добиться одновременного гашения для всех длин воли невозможно, то это обычно делается для наиболее восприимчивой глазом длины волны /1о«0,55мкм.Поэтому объективы с просветленной оптикой имеют синевато-красный оттенок.

Создание высокоотражающих покрытий стало возможным лишь на основемвого-лумвой •терфере——. В отличие от двухлучевой интерференции, которую мы рас­сматривали до сих пор, многолучевая интерференция возникает при наложении боль­шого числа когерентных световых пучков. Распределение интенсивности в интерферен­ционной картине существенно различается; интерференционные максимумы значитель­но уже и ярче,чем при наложении двух когерентных световых пучков. Так, резуль­тирующая амплитуда световых колебаний одинаковой амплитуды в максимумах ин­тенсивности, где сложение происходит в одинаковой фазе, в N раз больше, а интенсив­ность в Ы² раз больше,чем от одного пучка (Н — число интерферирующих пучков). Отметим, что для нахождения результирующей амплитуды удобно пользоваться гра­фическим методом, используя метод вращающегося вектора амплитуды (см. § 140). Многолучевая интерференция осуществляется в дифракционной решетке (см. § 180).

Многолучевую интерференцию можно осуществить в многослойной системе чере­дующихся пленок с разными показателями преломления (но одинаковой оптической толщиной, равной /1с/4), нанесенных на отражающую поверхность (рис. 254). Можно показать, что на границе раздела пленок (между двумя слоями 2п5 с большим показателем преломления п\ находится пленка криолита с меньшим показателем

преломления л;) возникает большое число отраженных интерферирующих лучей, кото­рые при оптической толщине пленок Л«/4 будут взаимно усиливаться, т. е. коэффициент

отражения возрастает. Характерной особенностью такой высокоотражательной систе­мы является то, что она действует в очень узкой спектральной области, причем чем больше коэффициент отражения, тем уже эта область. Например, система изсемипленок для области 0,5мхм дает коэффициент отражения /?«96% (при коэффициенте пропускания »3,5% и коэффициенте поглощения <0,5%). Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференцион­ных светофильтров (узкополосных оптических фильтров).

Про \ Воздух / /' 2'	)свет ел	ляющий ой	Рис. 253 • В чем заключается суть просветления опти­ки? • Когда и почему слой (слои) с оптической толщиной в четверть длины волны служит (служат) для полного гашения отраженных лучей и для получения высокоотражающих покрытий?
^ т	Стекло 2"
т ^
"о	я	пс

Явление интерференции таххе применяется в очень точных измерительных прибо­рах, называемых•терферометрямв. Все интерферометры основаны на одном и том хе принципе и различаются лишь конструкционно. На рис. 255 представлена упрощенная схема —герферомет— М—кельсошь Монохроматический свет от источника 8 падает под углом 45° на плоскопараллсльную пластинку Р\. Сторона пластинки, удаленная от

8, посеребренная и полупрозрачная, разделяет луч на две части: луч I (отражается от посеребренного слоя) и луч 2 (проходит через вето). Луч 1 отражается от зеркала М\ и,

возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку Р\ (луч 7"). Луч 2 идет к зеркалу

Мг, отражается от вето, возвращается обратно и отражается от пластинки Р\ (луч 2'). Так как первый из лучей проходит сквозь пластинку Р\ дважды, то доя компенсации возникающей разности хода на пути второго луча ставится пластинка Р^ (точно такая же, как и Р\, только не покрытая слоем серебра).

Лучи Г и 2' когерентны; следовательно, будет наблюдаться интерференция, резуль­тат которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зеркала М\ и луча 2 от точки О до зеркала М^. При перемещении одного из зеркал на расстояние ^о/4 разность хода обоих лучей увеличится на ^о/2 и произойдет смена

освещенности зрительного поля. Следовательно, по незначительному смещению ин­терференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр Майкельсоиа для точного (порядка 10 ~⁷ м) измерения длин (измерения длины тел, длины волны света, изменения длины тела при изменении температуры (интерференционный дилатометр)).

Российский физик В. П. Линник (1889—1984) использовал принцип действия ин­терферометра Майхельсоиа для создания мнсроввтерферометра (комбинация интерфе­рометра и микроскопа), служащего для контроля чистоты обработки поверхности.

Интерферометры — очень чувствительные оптические приборы, позволяющие определять незначительные изменения показателя преломления прозрачных тел (газов, жидких и твердых тел) в зависимости от давления, температуры, примесей и т. д. Такие интерферометры получили название •перференнмниых рефрактометров. На пути ин­терферирующих лучей располагаются две одинаковые кюветы длиной /, одна из которых заполнена, например, газом с известным (по), а другая — с неизвестным (л,) показателями преломления. Возникшая между интерферирующими лучами дополни­тельная оптическая разность хода А=(л,—ло) /. Изменение разности хода приведет к сдвигу интерференционных полос. Этот сдвиг можно характеризовать величиной

Криолит (NазА1Р^) "?-1,32

Сульфид цинка (2п8) П1-2.3

Рис. 254

»яо=Д/А=(л,-ио) /Д.

где то показывает, на какую часть ширины интерференционной полосы сместилась интерференционная картина. Измеряя величину мц при известных /, но и А, можно вычислить я, или изменение д,—По. Например, при смещении интерференционной картины ва '/5 полосы при /—10 см и <1"=0,5 мкм л^—ло" 10~⁶, т. е. интерференцион­ные рефрактометры позволяют измерять изменение показателя преломления с очень высокой точностью (по 1/1 000 000).

Применение интерферометров очень многообразно. Кроме перечисленного, они применяются дня изучения качества изготовления оптических деталей, измерения углов, исследования быстропротекающих процессов, происходящих в воздухе, об­текающем летательные аппараты, и т. д. Применяя интерферометр, Майхельсон впер­вые провел сравнение международного эталона метра с длиной стандартной световой волны. С помощью интерферометров исследовалось также распространение света в движущихся телах, что привело к фундаментальным изменениям представлений о пространстве и времени. •

Задачи

22.1. Определить, какую длину пуп» ^ пройдет фронт волны монохроматического света в ваку­уме за то же время, за которое он проходит путь да-1,5 мм в стекле с показателем преломления Пг-1,5. [2,26 мм]

ЮЛ. В опыте Юнга щели, расположенные на расстоянии 0,3 мм, освещались монохромати­ческим светом с длиной волны 0,6 мкм. Определить расстояние от щелей до экрана, если ширина интерференционных полос равна 1 мм. [0.5 м]

22.3. На стеклянный клин (я—1,5) нормально падает монохроматический свет (2—008 им). Определить угол между поверхностями клина, если расстояние между двумя соседними интерференционными минимумами в отраженном свете равно 2 мм. [0,41

22А, Установка для наблюдения колец Ньютона освещается монохроматическим светом, пада­ющим нормально. При заполнении пространства между линзой и стеклянной пластинкой прозрачной жидкостью радиусы темных колец в отраженном свете уменьшились в 1,21 раза. Определить показатель преломления жидкости. [1.46]

22Л. На линзу с показателем преломления 1,55 нормально падает монохроматический свет с длиной волны 0,56 мкм. Для устранения потерь отраженного света на линзу наносится тонкая пленка. Определить: 1) оптимальный показатель преломления пленки; 2) толщину пленки. [1) 1.24; 2) 0.111 мкм]

22.В. в опыте с интерферометром Майкельсона для смещения интерференционной картины на 450 полос зеркало пришлось переместить на расстояние 0,135 мм. Определить длину волны падающего света. [0,6 мкм] '

22.7. На пути одного из лучей интерференционного рефрактометра поместили откачанную трубку длиной 10 см. При заполнении трубки хлором интерференционная картина смести­лась на 131 полосу. Определить показатель преломления хлора, если наблюдение произ­водится с монохроматическим светом с длиной волны 0,59 мкм. [1,000773]