Применение интерференции света

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и образования РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Национальный исследовательский технологический университет

"МиСис"

Новотроицкий филиал

Кафедра МиЕ

Применение интерференции света

Выполнил: студент

Тимофеева Е.В.

Новотроицк

2013

Содержание

Глава 1. Использование интерференции в технике

1.1 Просветление оптики

1.2 Образование полос равной толщины

1.2.1 Характеристика полосы равной толщины

1.3 Полосы равного наклона

Глава 2. Кольца Ньютона. Применения явления интерференции

Заключение

Список литературы

Глава 1. Использование интерференции в технике

Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией.

Применения интерференции очень важны и обширны. Интерференция света имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого другого.

На использовании интерференции света основано действие интерферометров и интерференционных спектроскопов; метод голографии также основан на интерференции света. Интерференцию поляризованных лучей широко используют в кристаллооптике для определения структуры и ориентации осей кристалла, в минералогии для определения минералов и горных пород, для обнаружения и исследования напряжений и деформаций в твердых телах, для создания особо узкополосных светофильтров и др.

Некоторые применения интерференции: проверка качества обработки поверхностей. Проверка качества обработки поверхности до одной десятой длины волны. Несовершенство обработки определяют, но искривлению интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности. Интерферометры служат для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн.

1.1 Просветление оптики

Просветление оптики -- это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки или нескольких плёнок одна поверх другой. Это необходимо для увеличения светопропускания оптической системы. пространство амплитуда колебание оптика

Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол, линз, призм. Каждая отполированная поверхность стекла отражает около 5% падающего на нее света. Чтобы уменьшить долю отражаемой энергии, используется явление интерференции света.

Просветлённый объектив требует бережного обращения, так как плёнки, нанесенные на поверхность линз, легко повредить. Кроме того, тончайшие пленки загрязнений (жир, масло) на поверхности просветляющего покрытия нарушают его работу и резко увеличивают отражение света от загрязненной поверхности. Следует помнить, что следы пальцев со временем разрушают не только просветление, но и поверхность самого стекла.

1.Однослойное просветление. Для наилучшего эффекта показателя просветляющей плёнки должен равняться квадратному корню показателя преломления оптического стекла линзы. Наиболее подходящим материалом для просветляющей пленки является фторид бария, обладающий весьма низким (n=1,38) показателем преломления. Однако, фторид бария растворим в воде, и требует нанесения защитного покрытия.

Отражательная способность стекла, просветленного таким способом, сильно зависит от длины волны, что является основным недостатком однослойного просветления.

В настоящее время однослойное просветление часто используется для лазерной оптики, рассчитанной на работу в узком спектральном диапазоне. Используя стёкла с относительно высоким показателем преломления и напыляя плёнку фторида бария, удается добиться минимальной отражающей способности около 1 %.

2.Многослойное просветление. Многослойное просветляющее покрытие представляет собой последовательность чередующихся слоёв (их число достигает 15 и более) из двух (или более) материалов с различными показателями преломления. Многослойные просветляющие покрытия характеризуются низкими потерями на отражение (узкополосные покрытия для лазерной оптики с отражательной способностью около 0,3 % и менее, широкополосные -- до 0,5 %). Основное преимущество многослойного просветления применительно к фотографической и наблюдательной оптике -- незначительная зависимость отражательной способности от длины волны в пределах видимого спектра, что существенно уменьшает искажения цвета. Отражения от поверхности линз с многослойным просветлением в зависимости от качества имеют различные оттенки зелёного и фиолетового цвета, вплоть до очень слабых серо-зеленоватых у объективов последних годов выпуска.

1.2 Образование полос равной толщины

Интерференционные полосы равной толщины возникают в отраженном свете при отражении параллельного пучка монохроматического излучения от двух границ слоя переменной толщины. Следует отметить, что они возникают также и в прошедшем свете, но с гораздо более низким контрастом интерференционной картины.

Для достаточно тонкой пластинки или пленки (поверхности которой не обязательно должны быть параллельными и вообще плоскими) можно наблюдать интерференционную картину, локализованную вблизи отражающей поверхности. Возникающие при этих условиях полосы называют полосами равной толщины. В белом свете интерференционные полосы окрашены. Поэтому такое явление называют цветами тонких пленок. Его легко наблюдать на мыльных пузырях, на тонких пленках масла или бензина, плавающих на поверхности воды, на пленках окислов, возникающих на поверхности металлов при закалке.

Рассмотрим интерференционную картину, получаемую от пластинок переменной толщины (от клина).

Рис 8.10

Направления распространения световой волны, отраженной от верхней и нижней границы клина, не совпадают. Отраженные и преломленные лучи встречаются, поэтому интерференционную картину при отражении от клина можно наблюдать и без использования линзы, если поместить экран в плоскость точек пересечения лучей (хрусталик глаза помещают в нужную плоскость).

Интерференция будет наблюдаться только во 2-й области клина, так как в 1-й области оптическая разность хода будет больше длины когерентности. Когерентность -согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Результат интерференции в точках P₁ и P₂ экрана определяется по известной формуле

(1.2),

подставляя в неё толщину пленки в месте падения луча (в₁ или в₂). Свет обязательно должен быть параллельным (б=const): если одновременно будут изменяться два параметра в и б, то устойчивой интерференционной картины не будет.

Поскольку разность хода лучей, отразившихся от различных участков клина, будет неодинаковой, освещенность экрана будет неравномерной, на экране будут темные и светлые полосы (или цветные при освещении белым светом, как показано на рис. 8.11). Каждая из таких полос возникает в результате отражения от участков клина с одинаковой толщиной, поэтому их называют полосами равной толщины.

Рис. 8.11

Применение эффекта

Полосы равной толщины имеют большое практическое приложение в интерферометрии различных поверхностных рельефов. В частности, простейшее их применение состоит в контроле плоскостности изготовляемых (полируемых) поверхностей оптических деталей. Для этого на обрабатываемое изделие, очищенное от полировочного порошка, накладывают эталонную плоскую стеклянную пластину (так называемые ПИ, пластины интерференционные). Как правило, при таком наложении образуется воздушный зазор толщиной единицы микрон, имеющий естественную клиновидность. В отраженном естественном свете образуется система окрашенных полос равной толщины (наиболее отчетливо видна система зеленых полос с длиной волны порядка 0,5 мкм).

1.2.1 Характеристика полосы равной толщины

1.Полосы равной толщины наблюдаются при отражении параллельного или почти параллельного пучка лучей света (const) от тонкой прозрачной пленки, толщина d которой не одинакова в разных местах.

2.Полосы равной толщины возникают в том случае, если интерферирующие пучки после прохождения интерференционной системы имеют реальное или мнимое пересечение в пространстве изображений лучей и могут наблюдаться без дополнительной оптической системы, так как картина образуется в результате изменения разности хода между непараллельными интерферирующими лучами.

3.Полосы равной толщины наблюдаются в клинообразных пластинках. И соответствует месту пересечения обеих поверхностей, ограничивающих клинообразную пластинку, - ребру клина. В таких клинообразных пластинках интерференционные полосы располагаются параллельно ребру клина в местах одинаковой толщины.

4.Полосы равной толщины при широком источнике света достаточно контрастны, если обе ветви интерферометра подобны друг другу и одинаковы по своим оптическим характеристикам. Ухудшение этих условий снижает контрастность полос. Полосы равного наклона контрастны при любой ширине источника света, если нет диафрагм, перекрывающих соответствующие пучки лучей в обеих ветвях интерферометра. Причины, снижающие контрастность полос равной толщины при широком источнике света, приводят к искривлению полос равного наклона.5.Полосы равной толщины используют для определения показателей преломления жидкостей, заключенных между отражающими поверхностями. Они образуются, в частности, в интерферометре Майкельсона.

6.Полосы равной толщины возникают на поверхности пластины, освещаемой протяженным источником, если толщина пластины постепенно меняется от места к месту.

1.3 Полосы равного наклона

Полосы равного наклона - это система чередующихся светлых и тёмных полос, наблюдаемая на экране при освещении прозрачного слоя постоянной толщины (плоскопараллельной пластинки) непараллельным пучком монохроматического излучения. Каждая полоса создаётся лучами света S и S1 (рис.1.3), падающими на поверхность слоя под одним и тем же углом (Появление П. р. н. обусловлено интерференцией света, отражённого "передней и задней границы пластинки. П. р. н. локализованы в бесконечности и для их наблюдения интерферирующие лучи собирают с помощью линзы L на экран Э или фотопластинку.

Рис.1.3

Схема наблюдения полос равного наклона. Лучи S и S1, падающие под одним углом, собираются линзой в одной точке О. Лучи, падающие под др. углом (напр., S'), собираются линзой в др. точке О'.

Глава 2. Кольца Ньютона. Применения явления интерференции

Кольцевые полосы равной толщины, наблюдаемые в воздушном зазоре между соприкасающимися выпуклой сферической поверхностью линзы малой кривизны и плоской поверхностью стекла, называют кольцами Ньютона.

Интерференционная картина в виде колец Ньютона возникает между поверхностями одна из которых плоская, а другая имеет большой радиус кривизны (например, стеклянная пластинка и плосковыпуклая линза).

Общий центр колец расположен в точке касания. В отраженном свете центр темный, так как при толщине воздушной прослойки, на много меньшей, чем длина волны л, разность фаз интерферирующих волн обусловлена различием в условиях отражения на двух поверхностях и близка к р. Толщина h воздушного зазора связана с расстоянием r до точки касания:

(2.1)

Здесь использовано условие

(2.2).

При наблюдении по нормали темные полосы, как уже отмечалось, соответствуют толщине

(2.3),

поэтому для радиуса r_m m-го темного кольца получаем:

(2.4),

где (m = 0, 1, 2, …).

Если линзу постепенно отодвигать от поверхности стекла, то интерференционные кольца будут стягиваться к центру. При увеличении расстояния на л/2 картина принимает прежний вид, так как место каждого кольца будет занято кольцом следующего порядка. С помощью колец Ньютона, как и в опыте Юнга, можно сравнительно простыми средствами приближенно определить длину волны света.

Полосы равной толщины можно наблюдать и с помощью интерферометра Майкельсона, если одно из зеркал отклонить на небольшой угол.

Итак, полосы равного наклона получаются при освещении пластинки постоянной толщины (b=const) рассеянным светом, в котором содержатся лучи разных направлений. Полосы равной толщины наблюдаются при освещении пластинки переменной толщины (клина) (b ) параллельным пучком света. Полосы равной толщины локализованы вблизи пластинки.

Заключение

Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь, закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная, протяженная волна, а как поток "сгустков" (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц - фотонов.

Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).

Список литературы

1. Берн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М. 1973.

2. Большая Советская Энциклопедия М.: "Советская энциклопедия", 1969-1978

3. Гагарин А.П. Ньютона кольца // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. -- М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.

4. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976.

5. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. §58. Интерференция света

6. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1985.

7. Физика. Большой энциклопедический словарь. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - С.90, 460.

8. Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А.М. Прохоров. Изд. "Советская энциклопедия", 1983.

Размещено на Allbest.ru