Интерференция света и методы ее наблюдения.

Когерентность волн является необходимым условием получения устойчивой интер- ференционной картины. Когерентные волны - волны, характеризующиеся одинаковой частотой и постоянством разности фаз в заданной точке пространства.

Интерференция света - явление взаимного усиления или ослабления света до полной темноты (гашения) при наложении двух его волн, которые имеют одинаковые частоты колебаний (рис.2.10.). Интерференция возникает, когда два когерентных источ- ника света, т. е. испускающие полностью однородные лучи света с постоянной разно- стью фаз, расположены очень близко друг от друга. Такими источниками света являют- ся, например, два зеркальных изображения одного источника света. У двух разных ис- точников света никогда не сохраняется постоянная разность фаз волн, поэтому их лучи не интерферируют.

Как видно из рис. 2.10 для любой точки N на экране при попадании на него двух коге- рентных волн разность хода лучей будет равна D = S1N – S2N. Если разность фазDa бу- дет равна нулю (разность хода лучей будет кратна четному числу полуволн), ампли- туда складывающихся волн будет иметь максимальное значение и на экране образует- ся геометрические места, имеющие темный цвет (максимальную интенсивность света). При разности фазDa=180° (разность хода лучей равна четному числу полуволн) ам- плитуда складывающихся волн будет равна нулю (минимальное значение). Интенсив- ность света в таких точках равна нулю и они будут иметь белый цвет). Таким образом получаем линии равной разности хода лучей.

Рис. 2.10. Интерференция волн и при- мер линий равной разницы хода лучей

Рис. 2.11. Картина интерференции двух круговых когерентных волн в зависимо- сти от длины волны и расстояния между источниками

Для плоских волн такие геометрические места точек представляют собой чередова- ние темных и светлых полос. Для сферических или круговых волн – гиперболоиды вра- щения.

Следует также отметить, что вид интерференционной картинки (шаг между темными и светлыми полосами и их ширина), как видно из рис.2.10, будет зависеть не только от длины когерентных волн, но и расстояния между источниками (S1S2) (рис. 2.11)

Если когерентные волны отражаются и проходят через пластину, разность фаз (раз- ность хода) отраженных а1и преломленных лучей а2будет пропорциональна толщине пластины (рис.2.12). Если пластина имеет в разных точках разную толщину, то при ин- терференции получаем геометрические места точек с интенсивностью света, пропор- циональной толщине в данных точках. Для монохромного света получаем линии равной

толщины (рис.2.13). Для белого света из-за его дисперсии картина будет в виде ра- дужных полос (рис.2.14).

Дифракция света.

Дифракция света - явление, наблюдающееся при распространении света мимо рез- ких краёв непрозрачных или прозрачных тел, сквозь узкие отверстия. При этом происхо- дит нарушение прямолинейности распространения света, т. е. отклонение от законов геометрической оптики. Вследствие дифракции света при освещении непрозрачных эк- ранов точечным источником света на границе тени, где, согласно законам геометриче- ской оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, на- блюдается ряд светлых и тёмных дифракционных полос с периодичностью пропорцио- нальной отношению длины волныl к размеру препятствия R (ширине щели или диамет- ру отверстия) (рис.2.15 и 2.16). На рисунках изображены дифракционные картинки для монохромного излучения.

С уменьшением ширины щели или диаметра отверстия центральная светлая полоса или пятно (соответственно расширяются, а расстояние между полосами тем больше, чем больше длина волны. Поэтому в случае белого света имеет место совокупность со- ответствующих картин для разных цветов. При этом главный максимум будет общим для всех длин волн и представится в виде белой полоски (диска), переходящей в цветные полосы (концентрические окружности) с чередованием цветов от фиолетового к красно- му.

Рис. 2.12. Разность хода лучей в пластине Рис. 2.13. Примеры линий равной толщины

Рис. 2.14. Интерференция света на стенке мыльного пузыря

Рис. 2.15. Дифракция света на щели Рис. 2.16. Дифракция света на отверстии

Также следует отметить, что дифракционная картина различна на разных препятст- виях (рис.2.17).

Дифракция хорошо наблюдается только на расстояниях L³ R2/l. На меньших рас- стояниях применимы законы геометрической оптики.

На явлении дифракции основано устройство дифракционных решеток. Это сово- купность большого количества узких щелей, повторяющихся через расстояние d. Ди- фракционные решетки делятся на отражательные (штрихи нанесены на металлическую поверхность) и прозрачные (штрихи нанесены на стеклянную поверхность). При прохож- дении через дифракционную решетку световая волна длиной λ на экране будет давать последовательность минимумов и максимумов интенсивности. Максимумы интенсивно- сти будут наблюдаться под углом φ, определяемым из соотношения:

j = arcSin (ml/d),

где m – целое число, называемое порядком дифракционного максимума.

Рис. 2.17. Дифракция от различных препятствий

Рис. 2.18. Разложение белого света в спектр при помощи дифракционной решетки

Поляризация света.

Поляризация света - для электромагнитных волн это явление направленного коле- бания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H.

Векторы Е и Н для световых волн (как и для других электромагнитных колебаний) всегда колеблются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Кроме того, эти векторы взаимоперпендикулярны. Поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать лишь поведение одного из них (обычно вектора Е).

Обычный источник света излучает поток световых импульсов, хаотически ориентиро- ванных в пространстве. Поэтому в общем излучении для большинства источников света направление вектора Е не определено – это неполяризованное излучение или есте- ственный свет.

Для описания явления поляризации представим вектор Е как сумму его проекций на две взаимоперпендикулярные плоскости, поперечные направлению распространения излучения, ЕX и ЕY. В естественном свете эти две проекции колеблются с разными фа- зами. Разность фаз изменяется непрерывно и хаотически. Из определения монохрома- тического излучения (см. п.2.1.2) следует, что для него разность фаз и частота колеба- ния векторов ЕX и ЕY будут постоянны. Именно для монохроматического (коге- рентного) излучения существует понятие поляризации. Некогерентное излуче- ние может не быть поляризованным, либо быть полностью или частично поляризован- ным любым из указанных способов - понятие поляризации понимается статистически.

В общем случае для монохромного излучения свойственна так называемая эллип- тическая поляризация. Для полного описания такой поляризации надо знать не толь- ко модуль (величину) вектора Е, но и направление его вращения в направлении распро- странения излучения (правое или левое). Предельными случаями эллиптической поля- ризации являются линейная и круговая поляризация (рис. 2.19). Как следует из опре- деления, вид поляризации определяется разностью фаз колебания векторов ЕX и ЕY. При разности фазDa =kp (k=0; 1; 2; …) будем иметь линейную поляризацию, еслиDa

=(k+1/2)p - круговую поляризацию (рис. 2.20).

Линейная Эллиптическая Круговая

Рис. 2.19. Виды поляризаций

Рис. 2.20. Виды поляризаций при различной разности фаз

Как видно из рис. 2.20, при увеличении разности фаз изменяется форма траектории, которую описывает суммарный вектор Е – от линейной до круговой, а при прохождении через разность фазDa =kp (k=1; 2; …) меняется направление вращения вектора Е на противоположное.

Поляризация свойственна как для проходящего, так и отраженного излучения.

Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рас- сеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии. Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца (примером может слу- жить голография).

Исследуя явление поляризации света, Э.Л.Малюс в 1810 году установил, что при по- хождении неполяризованного света через поляризатор помимо поляризации (линейной) происходит падение его интенсивности наполовину. Он также опытным путем устано- вил, что если свет пропускать последовательно через две поляризующих пластинки (два полароида) – поляризатор и анализатор, то при повороте пластинок относительно друг друга на некоторый уголa, интенсивность света, прошедшего через анализатор, про- порциональна квадрату косинуса угла между плоскостью поляризации световой волны и плоскостью пропускания анализатора, т.е. углуa (рис. 2.21).

Этот закон справедлив также для частично поляризованного света, если представить его в виде суммы двух линейно-поляризованных составляющих, к каждой из которых применим закон Малюса.

Таким образом можно ограничить прохождение света (пример, применение солнеч- ных очков с поляризованными стеклами).

Люминесценция.

Люминесценция - свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке. Особого внимания люминесценция не привлекала вплоть до 1948 года, когда советский учёный С. И. Вавилов предложил использовать люминесценцию в анализе химических веществ. В быту явление люминесценции используется, главным образом, в люминесцентных лампах и электронно-лучевых трубках кинескопов.

При угле относительной поля- ризации равном нулю интенсив- ность света падает в два раза	При угле относительной поля- ризации от нуля до 900 интен- сивность света изменяется от половины исходной до нуля	При угле относительной поля- ризации равном 900 свет не проходитчерез анализатор.
Рис. 2.21. Закон Малюса

«Будем называть люминесценцией избыток над температурным излучением тела в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью пример- но 10-10 секунд и больше». Таково каноническое определение люминесценции, данное русским учёным С. И. Вавиловым в 1948 году.

Первая часть определения позволяет отличить люминесценцию от теплового излу- чения, что особенно важно при высоких температурах, когда термоизлучение приобре- тает большую интенсивность. Важной особенностью люминесценции является то, что она способна проявляться при значительно более низких температурах, так как не ис- пользует тепловую энергию излучающей системы. За это люминесценцию часто назы- вают «холодным свечением». Критерий длительности, введённый Вавиловым, позво- ляет отделить люминесценцию от других видов нетеплового излучения: рассеяния и от- ражения света, комбинационного рассеяния, излучения Черенкова. Длительность их меньше периода колебания световой волны (то есть <10-10 c).

Физическая природа люминесценции состоит в излучательных переходах электронов из возбуждённого состояния в основное. При этом причиной первоначального возбужде- ния системы могут служить различные факторы: внешнее излучение, химические реак- ции и др.

Первоначально понятие люминесценция относилось только к видимому свету. В на- стоящее время оно применяется к излучению в инфракрасном, видимом, ультрафиоле- товом и рентгеновском диапазонах (см. рис. 2.2).

Многие формы природной люминесценции были известны людям очень давно. На- пример, свечение насекомых (светлячки), свечение морских рыб и планктона, полярные сияния, свечение минералов, гниющего дерева и других разлагающихся органических веществ. В настоящее время к природным формам прибавилось много искусственных способов возбуждения люминесценции. Твердые и жидкие вещества, способные люми- несцировать, называют люминофорами (от лат. lumen – свет и греч. phoros - несущий).

Чтобы вещество было способно люминесцировать, его спектры должны иметь дис- кретный характер, то есть его энергетические уровни должны быть разделены зонами запрещенных энергий. Поэтому металлы в твёрдом и жидком состоянии, обладающие непрерывным энергетическим спектром, не дают люминесценции. Энергия возбуждения в металлах непрерывным образом переходит в тепло. И лишь в коротковолновом диапа- зоне металлы могут испытывать рентгеновскую флуоресценцию, то есть под действием рентгеновского излучения испускать вторичные Х-лучи.

Люминесцентное свечение тел принято делить на следующие виды:

- фотолюминесценция — свечение под действием света (видимого и УФ-диапазона). Она, в свою очередь, делится на:

§ флуоресценцию (время жизни 10-9-10-6 с);

§ фосфоресценцию (время жизни 10-3-10 с);

- хемилюминесценция — свечение, использующее энергию химических реакций;

- катодолюминесценция— вызвана облучением быстрыми электронами (катодными лучами);

- сонолюминесценция — люминесценция, вызванная звуком высокой частоты;

- рентгенолюминесценция — свечение под действием рентгеновских лучей;

- радиолюминесценция – при возбуждении вещества гамма-излучением;

- триболюминесценция - люминесценция, возникающая при растирании, раздавлива- нии или раскалывании люминофоров. Триболюминесценция вызывается электрическим разрядами, происходящими между образовавшимися наэлектризованными частями - свет разряда вызывает фотолюминесценцию люминофора.