Інтерференція світла та її застосування

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Навколишній світ за своєю природою є матеріальним. Фізика - це наука, яка вивчає найзагальніші форми руху матерії ( механічні, теплові, електромагнітні та інші) та їх взаємні перетворення. Матерія може існувати в двох формах: у вигляді речовини та поля. До першої форми матерії належать, наприклад, електрони, протони, атоми, молекули та всі речовини, з яких вони побудовані. До другої - електромагнітні, гравітаційні поля. Різні види матерії можуть переходити одна в одну. Наприклад, електрон і позитрон при взаємодії перетворюються в електромагнітне випромінювання у вигляді фотонів. Можливий і зворотний процес.

Більшість фактичних відомостей про природу і навколишні явища людина отримала за допомогою зорового сприйняття, створеного світлом. Розділ фізики, в якому вивчають світлові явища, називається оптика. Історія розвитку оптики підтверджує одне з основних положень діалектики - закон єдності та боротьби протилежностей. Світло за своєю природою - явище електромагнітне, але воно одночасно проявляє хвильові ( в явищах інтерференції, дифракції, поляризації, дисперсії) і квантові властивості (в явищах фотоефекту, люмінесценції і т.і.). Із зменшенням довжини хвилі (збільшенням частоти) дедалі чіткіше проявляються квантові властивості світла.

З точки зору сучасних теорій неправильно було б протиставляти хвильові та квантові властивості світла. Навпаки, їх можна порівнювати і поєднувати на основі теорії відносності та сучасних положень квантової фізики. З позицій сучасної фізики немає розбіжностей між квантовими і хвильовими уявленнями про світло - це різні властивості одного явища, і в цьому полягає діалектична єдність матерії. Явища, в яких світло найбільше виявляє свої хвильові властивості, розглядає хвильова оптика.

Об'єкт дослідження: інтерференція світла.

Предмет дослідження: практичне застосування інтерференції світла.

Мета дослідження: розкрити суть явища інтерференції та вивчити його значення у науці і техніці.

1. Інтерференція світла

1.1 Короткий історичний огляд відкриття явища інтерференції

Інтерференція - одне з яскравих проявів хвильової природи світла. Це цікаве і красиве явище спостерігається при накладанні двох або декількох світлових пучків. Інтенсивність світла в області перекриття пучків має характер світлих і темних смуг, що чергуються, причому в максимумах інтенсивність більше, а в мінімумах менше суми інтенсивностей пучків. При використанні білого світла інтерференційні смуги виявляються забарвленими в різні кольори спектра. З інтерференційними явищами ми стикаємося досить часто: кольори плями оливи на асфальті, забарвлення взимку, химерні кольорові малюнки на крилах деяких метеликів і жуків - все це прояв інтерференції світла.

Вперше явище інтерференції було незалежно виявлено Робертом Бойлем (1627--1691) і Робертом Гуком (1635--1703). Вони спостерігали виникнення різнобарвного забарвлення тонких плівок (інтерференційних смуг), подібних масляним або бензиновим плямам на поверхні води.

У 1801 році Томас Юнг (1773-1829 рр..), ввівши «Принцип суперпозиції», першим пояснив явище інтерференції світла, ввів термін «інтерференція» (1803, від латинських слів inter - взаємно і ferio - ударяю) і пояснив «квітчастість» тонких плівок. Він також виконав перший демонстраційний експеримент зі спостереження інтерференції світла, отримавши інтерференцію від двох щілинних джерел світла (1802); пізніше цей дослід Юнга став класичним.

Перший експеримент по спостереженню інтерференції світла в лабораторних умовах належить І. Ньютону. Він спостерігав інтерференційну картину, що виникає при відбиванні світла в тонкому повітряному прошарку між плоскою скляною пластиною і плоскоопуклою лінзою великого радіусу кривизни. Інтерференційна картина мала вид концентричних кілець, що отримали назву кілець Ньютона. Ньютон не зміг з погляду корпускулярної теорії пояснити, чому виникають кільця, проте він розумів, що це пов'язано з якоюсь періодичністю світлових процесів . Першим інтерференційним дослідом, що отримав пояснення на основі хвильової теорії світла, став дослід Юнга (1802 р.). У досліді Юнга світло від джерела - вузької щілини падало на екран з двома близько розташованими щілинами. Проходячи через кожну зі щілин, світловий пучок розширювався унаслідок дифракції, тому на білому екрані світлові пучки, що пройшли через щілини 1 і 2, перекривалися. В області перекриття світлових пучків спостерігалася інтерференційна картина у вигляді світлих і темних смуг, що чергувалися. Юнг був першим, хто зрозумів, що не можна спостерігати інтерференцію при накладанні хвиль від двох незалежних джерел. Тому в його досліді щілини 1 і 2, відповідно до принципу Гюйгенса, можна розглядати як джерела вторинних хвиль.

1.2 Інтерференція світла. Когерентність та монохроматичність світлових хвиль. Оптична довжина шляху

Для пояснення теплових явищ у фізиці використовується теорії світла - хвильова і корпускулярна. Згідно хвильової (електромагнітної) теорії світлове випромінювання - це електромагнітні хвилі, довжина яких лежить в межах від 0,38 до 0,77 мкм. Згідно з корпускулярної (фотонної) теорії світлове випромінювання - це потік особливих частинок - фотонів, які мають енергію, масу і імпульс.

Інтерференцією світла називається перерозподіл інтенсивності світла в просторі внаслідок накладання двох або кількох когерентних хвиль, в результаті чого в одних місцях виникають максимуми, а в інших мінімуми інтенсивності.

Хвилі називаються когерентними, якщо вони мають однакову частоту і в точках накладання - сталу різницю фаз.

Отже, якщо хвилі когерентні, то спостерігається самоузгоджений перебіг в часі і просторі декількох хвильових процесів. Цю умову задовольняють хвилі однієї строго визначеної частоти - монохроматичні хвилі.

З повсякденного досліду відомо, що при накладанні світла від двох незалежних джерел не вдається спостерігати явища інтерференції. Таким чином, хвилі, які випромінюються незалежними джерелами світла, некогерентні. Цей результат є наслідком того, що жодне джерело не випромінює точно монохроматичного світла.

Випромінювання світла відбувається в процесі переходу атомів із збудженого стану в нормальний. Процес випромінювання скінченний і триває дуже короткий час . Через деякий час атом знову може збудитися і почати випромінювати світлові хвилі, але уже з іншою початковою фазою. Оскільки різниця фаз між випромінюванням двох таких незалежних атомів змінюється при кожному новому акті випромінювання, то хвилі, що спонтанно випромінюються атомами будь-якого джерела світла, некогерентні. Отже, хвилі, що випромінюються атомами, лише протягом інтервалу часу мають приблизно сталу амплітуду і фазу коливань, тоді як за великий проміжок часу і амплітуда, і фази змінюються.

Переривчасте випромінювання світла атомами у вигляді окремих короткочасних імпульсів називається хвильовим цугом.

Кожний хвильовий цуг має обмежену довжину в просторі. Наприклад, довжина цугу хвиль, які поширюються у вакуумі вздовж осі OX, дорівнює . Залежно від довжини світлової хвилі цуг вміщає від до довжин хвиль. Хвильовий цуг не є строго монохроматичною хвилею і його можна представити у вигляді неперервної послідовності монохроматичних хвиль з частотами від до , де - циклічна частота коливань джерела хвильового цугу. Величина залежить від довжини цугу і характеру зміни амплітуди хвилі на довжині цугу. Можна показати, що:

 або .

Оскільки хвильове число , то і має місце співвідношення

.

Отже, чим більший час випромінювання цугу, тим він ближчий за своїми властивостями монохроматичної хвилі з циклічною частотою і хвильовим числом k:

.

Для характеристики когерентних властивостей хвиль введемо поняття часу когерентності.

Часом когерентності немонохроматичної хвилі називається інтервал часу , протягом якого різниця фаз коливань, що відповідають хвилям з циклічними частотами і , змінюється на :

.

Циклічна частота зв'язана з довжиною хвилі у вакуумі співвідношенням . Звідси (знак мінус ми опускаємо). Тоді

.

Відстань , на яку поширюється хвиля з циклічною частотою за час когерентності, називається довжиною когерентності або довжиною цугу, що відповідає немонохроматичній хвилі, яка розглядається:

.

Для видимого сонячного спектру , .

Дві світлові хвилі при накладанні здатні інтерферувати, якщо коливання, які вони збуджують в певній точці, відповідають одному і тому хвильовому цугу випромінювання джерела, тобто якщо:

або ,

де - різниця ходу хвиль, що накладаються.

Для спостереження інтерференції світла при великих різницях ходу необхідно, щоб світло мало великий час когерентності, тобто щоб воно мало високий ступінь монохроматичності.

Когерентність коливань, які здійснюються в одній і тій самій точці простору, що визначається ступенем монохроматичності хвиль, називається часовою когерентністю.

Поряд з часовою когерентністю, що визначається часом когерентності, для опису когерентних властивостей хвиль у площині, перпендикулярній до напрямку їх поширення, вводиться поняття просторової когерентності.

Когерентність коливань, що відбуваються в один і той же момент часу в різних точках площини, яка перпендикулярна до напрямку поширення хвилі, називається просторовою когерентністю.

Для отримання інтерференційних смуг від двох джерел світла недостатньо, щоб ці джерела складалися з попарно когерентних точкових джерел. Навіть у випадку строго монохроматичного світла необхідно, щоб розміри джерел не перевищували певної межі, що залежить від взаємного розміщення та відстані між ними, а також від положення екрана, який призначений для спостереження інтерференційних смуг.

Просторово-когерентними називаються два джерела, розміри і взаємне розміщення яких при необхідному ступені монохроматичності світла дозволяють спостерігати інтерференційні смуги.

Довжиною просторової когерентності або радіусом когерентності називається відстань між двома точками перпендикулярної до напрямку поширення хвилі поверхні, між якими випадкова зміна різниці фаз досягає значення рівного . На відстані можна спостерігати явище інтерференції. Отже, просторова когерентність визначається радіусом когерентності.

Радіус когерентності

,

де - довжина світлових хвиль, - кутовий розмір джерела.

Коливання в двох точках, які знаходяться на відстані, меншій від , будуть приблизно когерентними.

Розглянемо тепер інтерференцію світла.

Для отримання когерентних світлових хвиль застосовують метод розділення хвилі, що випромінюється одним джерелом, на дві частини, які після проходження різних оптичних шляхів накладаються одна на одну і в результаті спостерігається інтерференційна картина.

Перша хвиля викличе в точці M гармонічні коливання

,

а друга

,

де , - фазова швидкість першої та другої хвиль.

Оскільки в точці M додаються два гармонічні коливання однакового періоду, що відбуваються в однаковому напрямку, то результуюче коливання буде також гармонічним з тим самим періодом і в тому самому напрямку, тобто

.

Амплітуда цього коливання дорівнює:

,

а початкова фаза визначається виразом:

,

де

, .

Різниця фаз двох когерентних хвиль від одного джерела:

.

Оскільки

,

де - довжина хвилі у вакуумі, то

.

Добуток геометричної довжини d шляху світлової хвилі на показник n заломлення цього середовища називається оптичною довжиною шляху L, а різниця оптичних довжин шляхів, що пройшли хвилі - називається оптичною різницею ходу.

Оскільки інтенсивність хвилі пропорційна до квадрату її амплітуди, то результуюча інтенсивність в точці M визначається співвідношенням

.

У випадку когерентних хвиль і для зручності припустимо, що В результаті

.

Якщо оптична різниця ходу дорівнює парному числу півхвиль у вакуумі:

,

то , і коливання, що збуджуються в точці M обома хвилями, відбуваються в однакових фазах. Отже, і результуюча інтенсивність - максимальна:

;

.

Таким чином, максимум інтенсивності при накладанні двох когерентних хвиль буде у точках, для яких у різниці ходу променів укладається парне число півхвиль. Сукупність таких точок утворює інтерференційні лінії, порядок яких визначається числом m.

Якщо оптична різниця ходу:

,

то і коливання, що збуджуються в точці М обома хвилями, знаходяться у протифазі і . Результуюча інтенсивність при цьому буде мінімальна:

;

.

Мінімум інтенсивності отримуємо в точках, для яких різниця ходу променів вміщає непарне число півхвиль.

Таким чином

- умова інтерференційного максимуму, а

- умова інтерференційного мінімуму.

Визначимо геометричне місце точок максимальної (мінімальної) інтенсивності. Як для точок максимальної інтенсивності , так і для точок мінімальної інтенсивності

має місце

,

Контрастність інтерференційної картини характеризують за допомогою параметра V, який виражається формулою

,

де і - інтенсивність світлих і темних смуг. Якщо інтенсивність темної смуги дорівнює нулю, то V=1, тобто когерентність максимальна. Для рівномірно освітленого екрана контрастність дорівнює нулю.

1.3 Розрахунок інтерференційної картини від двох когерентних джерел

Розглянемо дві когерентні світлові хвилі, що йдуть від джерел і , які мають вигляд паралельних тонких світних ниток або вузьких щілин (рис. 1), які розміщені на віддалі d одна від одної.

Рис. 1

Область, в якій ці хвилі перекриваються, називається полем інтерференції. У всій цій області спостерігається чергування місць з максимальною і мінімальною інтенсивністю світла. Якщо в поле інтерференції помістити паралельно до площини, яка проходить через джерела і , екран, то на ньому буде видно інтерференційну картину, яка має вигляд світлих і темних смуг, які чергуються. Розрахуємо ширину цих смуг і відстань між ними. Позначимо координату інтерференційного максимуму чи мінімуму . З трикутника маємо:

,

а з трикутника -

.

Звідси

, або .

З умови випливає, що . Тому , і .

Положення m-го інтерференційного максимуму на екрані задовольняє умову . Тоді, максимуми інтенсивності будуть спостерігатися при

.

Умова для m-го мінімуму має вигляд

і координати мінімумів інтенсивності

.

Шириною інтерференційної смуги називається відстань між двома сусідніми мінімумами інтенсивності, тобто

.

Відстань між сусідніми інтерференційними максимумами називається відстанню між інтерференційними смугами, яка теж дорівнює . З цієї формули випливає, що відстань зростає при зменшенні d між джерелами і . Якщо відстань d досягає величини порядку l, то відстань між інтерференційними смугами буде порядку довжини світлової хвилі. При цьому спостерігати окремі смуги неможливо. Щоб інтерференційна картина була чіткою, необхідно додержання умови . Ширина інтерференційних смуг залежить і від довжини хвилі .

За виміряними значеннями l, d і можна експериментально визначити довжину світлової хвилі.

Отже, інтерференційна картина, яка створюється на екрані двома когерентними джерелами світла, представляє собою чергування світлих та темних смуг, паралельних одна до одної. Головний максимум, що відповідає m=0, проходить через точку O, вниз і вгору від нього на рівних відстанях один від одного розміщуються максимуми першого , другого порядків тощо.

Якщо використати біле світло, то інтерференційні максимуми для кожної довжини хвилі будуть зміщені один відносно одного і матимуть вигляд райдужних смуг, які будуть починатись фіолетовим і закінчуватись червоним кольором, якщо рахувати від точки O (рис. 1). Тільки для m=0 максимуми для всіх довжин хвиль збігаються і в середині екрану буде спостерігатися біла смуга, по обидві сторони якої розмістяться спектрально забарвлені смуги максимумів першого, другого порядків і т. д.

Розглянемо умови, за яких у немонохроматичному світлі інтерференційна картина сприймається чітко. Для цього необхідно, щоб різноманітність довжин хвиль була обмежена і не перевищувала деякого інтервалу між і .

Умовою нерозрізнимості інтерференційної картини є збіг максимуму (m+1)-го порядку для довжини хвилі з максимумом m-го порядку для довжини хвилі , тобто

.

Використовуючи вираз

,

отримуємо

.

Звідси граничне значення інтервалу , тобто інтерференційну картину для немонохроматичного світла можна спостерігати, коли ширина інтервалу довжин хвиль не перевищує граничного:

.

1.4 Інтерференція світла у тонких плівках

Прикладом інтерференції світла, що спостерігається в природних умовах, може бути райдужне забарвлення мильних плівок, тонких плівок нафти або мінерального масла, які плавають на поверхні води, кольори мінливості на поверхні загартованих стальних деталей, покритих найтоншим шаром оксидів. Усі ці явища зумовлені інтерференцією світла в тонких прозорих плівках, яка виникає внаслідок накладання когерентних хвиль, що відбиваються від верхньої та нижньої поверхонь плівки.

Нехай плоска монохроматична хвиля, поширюється у середовищі з показником заломлення , (рис. 2), падає під кутом і на плоскопаралельну прозору плівку з показником заломлення n і товщиною d.

Рис. 2

Падаюча хвиля частково відбивається від верхньої поверхні плівки та частково заломлюється. Напрямок поширення відбитої хвилі зображено променем AB, а заломленої - променем AС. Заломлена хвиля, досягнувши нижньої поверхні плівки, частково відбивається (промінь СD), і частково заломлюється. Хвиля, що поширюється вздовж променя СD, на верхній поверхні плівки частково відбивається, і частково заломлюється, причому заломлена хвиля (промінь 2) накладається на хвилю, що безпосередньо відбита від верхньої поверхні.

Промені 1 і 2 когерентні між собою, оскільки вони утворені поділом хвилі SA. Якщо на їх шляху поставити збірну лінзу, то вони зберуться в одній з точок М фокальної площини лінзи і дадуть інтерференційну картину, яка визначається оптичною різницею ходу між променями 1 і 2:

.

Тут прийнято, що показник заломлення . Доданок зумовлений втратою півхвилі при відбиванні світла на межі поділу середовищ. Якщо , то в точці A фаза коливань змінюється на протилежну, відбувається втрата півхвилі і доданок матиме знак „-“. У випадку втрата півхвилі відбудеться в точці C і матиме знак „+”.

З рис. 2 видно, що

, .

Оскільки або , то . Тоді:

.

З урахуванням втрати півхвилі для оптичної різниці ходу отримаємо:

.

В точці M буде максимум, якщо:

і мінімум, якщо:

Інтерференція спостерігається не лише у відбитому світлі, а й у світлі, що проходить через плівку (рис. 2, промені 3 і 4). Оптична різниця ходу для прохідного світла відрізняється від для відбитого світла на , бо світло не відбивається від оптично густішого середовища. Отже, максимумам інтерференції у відбитому світлі відповідають мінімуми інтерференції в прохідному світлі і навпаки.

Інтерференція світла в плоскопаралельних пластинках визначається товщиною пластинки d, показником заломлення n середовища, довжиною падаючої світлової хвилі та кутом падіння і. Для даних , d i n кожному куту i падіння променів відповідає своя інтерференційна смуга. Інтерференційні смуги, які виникають внаслідок накладання хвиль, що падають на плоскопаралельну пластинку під однаковими кутами, називаються смугами однакового нахилу. Промені і , відбившись від верхньої та нижньої граней пластинки, паралельні один до одного, оскільки пластина плоскопаралельна (рис. 3).

Рис. 3

Отже, інтерферуючі промені і перетинаються лише в нескінченності, тому кажуть, що смуги однакового нахилу локалізовані в нескінченності.

Для їх спостереження використовують збірну лінзу й екран, розміщений у фокальній площині лінзи. Паралельні промені і зберуться у фокусі лінзи. В ту саму точку прийдуть й інші промені, паралельні до променя 1, (на рис. 3 - промінь 2) внаслідок чого збільшиться загальна інтенсивність.

Хвилі 3, які падають на пластину під іншим кутом, зберуться в іншій точці фокальної площини лінзи.

Оцінимо допустиму товщину пластинки, при освітленні якої природним світлом, можна спостерігати інтерференційну картину. Щоб світлові хвилі інтерферували, необхідно щоб виконувалась часова когерентність, а саме різниця ходу променів Д повинна бути меншою за довжину когерентності :

або .

Нехай довжина падаючого світла і . Саме з такою різницею хвиль людське око здатне розрізняти дві спектральні лінії. Тоді . Нехтуючи величиною в порівняння з , отримуємо:

.

Для n=1,5 та кута падіння дістаємо

.

В результаті

.

оптичний інтерференція когерентний

Якщо ступінь монохроматичності світла збільшується ( - досить мале), то допустима товщина пластинки буде зростати.

2. Практичне застосування інтерференції світла

Явище інтерференції світла використовують для створення різних оптичних приладів, за допомогою яких можна виконувати такі операції:

вимірювати довжини світлової хвилі з великою точністю;

вимірювати лінійні розміри тіл і коефіцієнти лінійного розширення тіл;

визначити якість і точність шліфування різних поверхонь;

вимірювати показники заломлення газоподібних, рідких і твердих тіл;

вимірювати кутові розміри небесних тіл;

вивчати і контролювати однорідність речовин;

вивчати структури спектрів різних речовин;

досліджувати ударні хвилі у газах.

За допомогою явища інтерференції можна виготовляти інтерференційні світлофільтри і вдається значно зменшити відбивання світла від оптичних систем.

Розглянемо більш детально деякі практичні застосування явища інтерференції.

Виходець з Тернопільщини Смакула О.Т. розробив спосіб просвітлення оптики для зменшення втрат світла, зумовлених його відбиванням на межі поділу двох середовищ, оскільки проходження світла через кожну заломну поверхню лінзи супроводжується відбиттям падаючого потоку світла. У складних об'єктивах число відбивань велике і сумарна втрата світлового потоку досить значна, що приводить до зменшення світлосили оптичних приладів. Крім того, відбивання від поверхні лінз приводить до виникнення бліків.

Щоб елементи оптичних систем зробити просвітленими, їх поверхні покривають прозорими плівками речовин, показник заломлення яких менший, ніж скла.

При відбиванні світла від межі поділу повітря - плівка і плівка-скло виникає інтерференція когерентних хвиль і . Товщину плівки d і показники заломлення скла і плівки n можна підібрати так, щоб хвилі, які інтерферують, гасили одна одну. Для цього їх амплітуди повинні бути рівні, а оптична різниця ходу

. (2.1)

Розрахунки показують, що амплітуди відбитих хвиль рівні, якщо .

Речовину плівки підбирають так, щоб виконувалась умова , де - показник заломлення повітря. Втрата півхвилі в цьому випадку відбувається на обох поверхнях. Умова мінімуму при куті падіння i=0 має такий вигляд:

.(2.2)

Для мінімальної товщини плівки m=0, і тоді

.(2.3)

Ця формула показує, що неможливо добитися одночасного гасіння для всіх довжин хвиль видимого спектра. Тому ця умова повинна виконуватись для довжини хвиль , яка найбільше сприймається людським оком.

Отже, якщо і оптична товщина плівки дорівнює , то в результаті інтерференції спостерігається гасіння відбитих хвиль.

Явище інтерференції використовують у ряді дуже точних вимірювальних приладів, які називають інтерферометрами.

Розглянемо схему інтерферометра Жамена, який застосовують для точних вимірювань показників заломлення газів і їх залежності від температури, тиску і вологості.

Дві зовсім однакові скляні товсті плоскопаралельні пластини та установлені майже паралельно одна до одної. Поверхні AB і CD - дзеркальні. Промені світла довжиною від монохроматичного джерела S падають на поверхню пластини А під різними кутами і, близькими до . На рисунку показано лише один падаючий промінь. Внаслідок його відбивання від поверхонь AB і пластини з неї виходять дві когерентні паралельні хвилі 1 і 2. Пройшовши крізь дві цілком однакові закриті скляні кювети і довжиною l, ці хвилі відбиваються поверхнями CD і пластини . В результаті виникають чотири промені і , і з яких промені і накладаються один на одного і інтерферують.

Інтерференційні смуги однакового нахилу розглядають за допомогою окуляра.

Якщо одну з кювет заповнено газом з відомим показником заломлення n, а другу - газом з показником заломлення , який треба виміряти, то оптична різниця ходу між інтерферуючими хвилями . Якщо ця різниця ходу то вся інтерференційна картина зміститься на m смуг. Визначивши m, можна знайти показник заломлення :

. (2.4)

Внаслідок великої чутливості інтерферометра, його використовують для вимірювання показників заломлення газів, що мало відрізняються від одиниці.

Розглянемо спрощену схему інтерферометра Майкельсона (рис. 4).

Монохроматичне світло від джерела S падає під кутом на плоскопаралельну пластинку . Сторона пластинки AB, яка посріблена і напівпрозора, розділяє промінь на дві частини: промінь 1, який відбивається від посрібленого шару і промінь 2, що проходить крізь нього. Промінь 1 відбивається від дзеркала і повертається назад, знову проходить через пластинку . Промінь 2 поширюється до дзеркала , відбивається від нього, повертається назад і відбивається від пластинки . Оскільки промінь 1 проходить пластину двічі, то для компенсації різниці ходу, яка виникає на шляху другого променя, ставиться пластинка , яку називають компенсатором.

Рис. 4

Дзеркала і розміщують перпендикулярно одне до одного. Одне з них може переміщатися за допомогою мікрометричних гвинтів паралельно само до себе.

Хвилі і - когерентні; отже, за допомогою зорової труби буде спостерігатися інтерференційна картина. Оптична різниця хвиль і , де - абсолютний показник заломлення повітря, а і - відстані від точки О до дзеркал і .

Якщо , то буде інтерференційний максимум. Переміщення одного з дзеркал на відстань приводить до виникнення інтерференційного мінімуму. Отже, за зміною інтерференційної картини можна зробити висновки про малі переміщення одного з дзеркал і тим самим використати інтерферометр Майкельсона для точних вимірювань довжини світлової хвилі, довжини тіла, зміни довжини тіла при зміні температури Похибки при вимірюванні довжини .

Інтерферометр Майкельсона можна використати для знаходження незначних змін показника заломлення прозорих тіл залежно від тиску, температури, домішок. Такий інтерферометр називається інтерференційним рефрактометром.

В.П. Лінник використав принцип дії інтерферометра Майкельсона для створення мікроінтерферометра - високочутливого приладу, який використовується для контролю чистоти обробки поверхонь металевих виробів. Світло від джерела S падає на скляний кубик А (рис. 5), який складається з двох половин, склеєних по діагональній площині.

Рис. 5

Одну із спостережуваних поверхонь напівпосріблено так, що вона частково пропускає, а частково відбиває промені, які падають на неї. Промінь 1, який пройшов через кубик, попадає на дзеркало , відбивається і, пройшовши знову через кубик, йде в мікроскоп M. Промінь 2 відбивається від напівпрозорої площини, падає на поверхню BC, яка досліджується, відбивається від неї і проходить через кубик в мікроскоп. Дзеркало нахилено під невеликим кутом . Завдяки цьому при ідеальній гладкій поверхні BC в полі зору мікроскопа видно інтерференційні смуги однакової товщини повітряного проміжку між кубиком і дзеркалом. У тих місцях поверхні ВС, де є виступи або заглибини, інтерференційні смуги викривлятимуться. За допомогою цього приладу можна виявити штрихи на поверхні деталі, глибина яких дорівнює .

СМАКУЛА ОЛЕКСАНДР ТЕОДОРОВИЧ (1900-1983)

Отримав в 1937р. патент на винахід способу просвітленої оптики. Предметом винаходу було: зменшення втрат світла, зумовлених його відбиванням на межі розділу двох середовищ, методом нанесення тонких шарів, товщина яких 1/4 довжини хвилі, а також спосіб одержання цих покриттів.

БОРЗЯК ПЕТРО ГРИГОРОВИЧ (1903-2000)

Відкрив (1952 р.) інтерференційний спосіб підвищення ефективності катодів: слід вибирати товщину катода, нанесеного на дзеркальну підкладку такою, щоб, внаслідок інтерференції, була максимальною напруженість поля світлової хвилі в шарі, товщина якого дорівнює глибині виходу.

ЛІННИК ВОЛОДИМИР ПАВЛОВИЧ (1889-1984)

Вперше розробив інтерференційні методи контролю шорсткості й правильності форми крупногабаритних металевих поверхонь - мікроінтерферометр. За його допомогою можна виявити штрихи на поверхні деталі, глибина яких дорівнює (23)*10-7 м.

Висновки

Опрацювавши і узагальнивши весь матеріал можна зробити наступні висновки:

1.І нтерференція світла -- перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладання (суперпозиції) декількох світлових хвиль. Це явище супроводжується чергуванням в просторі максимумів і мінімумів інтенсивності. Її розподіл називається інтерференційною картиною.

2. Пучок світла за допомогою того або іншого пристрою просторово розділяється на два або більше число когерентних пучків, які проходять різні оптичні шляхи, а потім зводяться разом. У місці сходження пучків спостерігається інтерференційна картина, вигляд якої, тобто форма і взаємне розташування інтерференційних максимумів і мінімумів, залежить від способу розділення пучка світла на когерентні пучки, від числа інтерферуючих пучків, різниці їх оптичних шляхів (оптичної різниці ходу), відносної інтенсивності, розмірів джерела, спектрального складу світла.

3. Застосування інтерференції дуже важливі й великі. Інтерференція світла має широке застосування для вимірювання довжини хвилі, випромінювання, дослідження тонкої структури спектральної лінії, визначення щільності, показників заломлення і дисперсійних властивостей речовин, для вимірювання кутів, лінійних розмірів деталей в довжині світової хвилі, для контролю якості оптичних систем і багато чого іншого.

4. На використанні інтерференції світла заснована дія інтерферометрів. Інтерферометри - вимірювальні прилади, в яких використовується інтерференція хвиль. Принцип дії всіх інтерферометрів однаковий, і відрізняються вони лише методами отримання когерентних хвиль і тим, яка величина безпосередньо вимірюється.

5. Інтерференцію поляризованих променів широко використовують у кристало-оптиці для визначення структури та орієнтації осей кристала, в мінералогії для визначення мінералів і гірських порід, для виявлення та дослідження напружень і деформацій у твердих тілах, для створення особливо вузькосмугових світлофільтрів та ін.

6. Перевірка якості обробки поверхонь. За допомогою інтерференції можна оцінити якість обробки поверхні виробу з точністю до 1/10 довжини хвилі, тобто з точністю до 106 см. Для цього потрібно створити тонкий клиноподібний прошарок повітря між поверхнею зразка і дуже гладкою еталонною пластиною. Тоді нерівності поверхні розміром до 106 см викличуть помітні викривлення інтерференційних смуг, що утворюються при відображенні світла від конкретної поверхні і нижній межі еталонної пластини.

7. Просвітлення оптики. Об'єктиви сучасних фотоапаратів і кінопроекторів, перископи підводних човнів різні інші оптичні пристрої складаються з великої кількості оптичних скло-лінз, призм та ін. Проходячи через такі пристрої, світло відбивається від багатьох поверхонь. Число відображень поверхні в сучасних фотооб'єктивах перевищує 10, а в перископ підводних човнів доходить до 40.

Література

1. Бушок Г.Ф., Венгер Є.Ф. Курс фізики. Кн. 2. Оптика. Фізика атома і атомного ядра. Молекулярна фізика і термодинаміка. - К.: Либідь, 2001.

2. Кучерук І.М., Горбачук І.Т. Оптика - К.: Вища шк , 1995.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1989, т.3.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1989.

5. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Наука, 1989, т.3.

6. Горбань І.С. Оптика. - К.: Вища шк , 1979.

7. Годжаєв Н.М. Оптика. Учеб.пособие для вузов. М.: Высш. Школа, 1977.

8. Королев Ф.А. Курс физики. М.: Наука, 1962.

9. Борн М., Вольф Э., Основы оптики.- М., Наука, 1973.

10. Дитчберн Р. Физическая оптика.- М., Наука, 1965.

11. Фриш С.Э. Современная оптика, М., Знання, 1968.

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

12. Денисюк Ю.Н. Оптическая голография и ее применение. Л. Наука, 1977.

Размещено на Allbest.ru