ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА 1. Интерференция световых волн 2. Опыт Юнга 3. Когерентность и монохроматичность 4. Методы наблюдения интерференции 5. Интерференция в тонких пленках 6. Применение интерференции света

Интерференция света (от лат. inter – взаимно, между собой и ferio – ударяю, поражаю) – пространственное перераспределение энергии света при наложении двух или нескольких световых волн. Интерференция волн – одно из основных свойств волн любой природы. Некоторые явления интерференции света исследовались еще И.Ньютоном в XVII в., но не могли быть им объяснены с точки зрения его корпускулярной теории. Правильное объяснение интерференции света как типично волнового явления было дано в начале XIX в. Т.Юнгом и О.Френелем.

Интерференция двух волн на поверхности жидкости, возбуждаемых вибрирующими стержнями Интерференция поверхностных волн от двух точечных источников В точках, для которых r 2 -r 1 =λ(1/2+n), поверхность жидкости не колеблется (узловые точки (линии))

Расстояние между точечным источником и стенкой кратно целому числу полуволн плюс четверть волны. При этом справа от источника круговая волна накладывается в противофазе с волной, отражённой от стенки. В результате в широкой полосе справа от источника колебания жидкости отсутствуют Расстояние от источника до стенки r кратно целому числу полуволн, исходная круговая волна интерферирует с волной, отражённой от стенки. Интерференция круговой волны в жидкости с её отражением от стенки

1. Интерференция световых волн Волновые свойства света наиболее отчетливо обнаруживают себя в интерференции и дифракции. Пусть две волны одинаковой частоты, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления:

Ox – опорная прямая - амплитуда результирующего колебания

Если разность фаз колебаний возбужденных волнами в некоторой точке пространства остается постоянной во времени, то такие волны называются когерентными.

В случае когерентных волн в минимуме в максимуме Интенсивность световой волны J равна квадрату амплитуды А. Тогда суммарная интенсивность:

Для некогерентных источников интенсивность результирующей волны всюду одинакова и, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн в отдельности: Некогерентность естественных источников света обусловлена тем, что излучение тела слагается из волн, хаотически испускаемых многими атомами. Фазы каждого цуга волны, испускаемого отдельным атомом никак не связаны друг с другом. Атомы излучают хаотически.

Периодическая последовательность горбов и впадин волны и образующиеся в процессе акта излучения одного атома, называется цугом волн или волновым цугом. Процесс излучения одного цуга атома длится Длина цуга В одном цуге укладывается примерно длин волн.

Одной из важных характеристик наблюдаемой интерференционной картины является видность V, которая характеризует контраст интерференционных полос: где I max и I min – соответственно максимальное и минимальное значения интенсивности в интерференционной картине. При интерференции монохроматических волн видность V зависит только от соотношения интенсивностей интерферирующих пучков света :

Разность фаз двух когерентных волн - Оптическая разность хода - L – оптическая длина пути; s – геометрическая длина пути; n – показатель преломления среды. Рассмотрим интерференцию двух когерентных волн:

Если оптическая разность хода равна полуцелому числу длин волн - условие интерференционного минимума. Условие максимума и минимума интерференции: Если оптическая разность хода равна целому числу длин волн -условие интерференционного максимума.

Параллельный пучок света падает на экран с небольшим отверстием. Пройдя через отверстие, свет доходит до второго экрана, в котором проделаны две щели. Когерентные пучки, излучаемые каждой из щелей, интерферируют на третьем экране. 2. Опыт Юнга

Расстояние l от щелей, причем Показатель преломления среды – n.

Главный максимум, соответствующий m=0 проходит через точку О. Вверх и вниз от него располагаются максимумы (минимумы) первого (m=1), второго (m=2) порядков, и т.д.

17

18

19

20

Максимумы интенсивности будут наблюдаться в координатах: (m = 0, 1, 2, …), а минимумы – в координатах: Расстояние между двумя соседними максимумами (или минимумами) равно - ширина интерференционной полосы. Измерив, зная l и d, можно вычислить длину волны λ. Именно так вычисляют длины волн разных цветов в спектроскопии.

3. Когерентность и монохроматичность Необходимым условием интерференции волн является их когерентность, т.е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Этому условию удовлетворяют монохроматические волны – волны одной определенной и строго постоянной частоты.

Время когерентности – время, по истечению которого разность фаз волны в некоторой, но одной и той же точке пространства, изменяется на π. Когерентность колебаний которые совершаются в одной и той же точке пространства, определяемая степенью монохроматичности волн, называется временный когерентностью. Два источника, размеры и взаимное расположение которых позволяют наблюдать интерференцию, называются пространственно-когерентными.

Условия пространственной когерентности двух волн 1) постоянная во времени разность фаз: ω 1 t +φ 01 – ω 2 t – φ 02 = const, откуда следует (ω 1 – ω 2 )t + φ 01 – φ 02 = const. Это справедливо лишь при ω 1 = ω 2 2) соизмеримость амплитуд интерферирующих волн, 3) одинаковое состояние поляризации, 4) лучи, пройдя разные пути, встречаются в некоторой точке пространства.

4. Методы наблюдения интерференции 1. Опыт Юнга

2. Зеркала Френеля

3. Бипризма Френеля

4. Билинза Бийе

5. Интерференция в тонких пленках Интерференцию света по методу деления амплитуды во многих отношениях наблюдать проще, чем в опытах с делением волнового фронта. Один из способов, использующих такой метод – опыт Поля.

Интерференционные полосы равного наклона Интерференция в тонких пленках

Интерференционные полосы равного наклона Оптическая разность хода с учетом потери полуволны: - max интерференции - min интерференции

Для наблюдения интерференционных полос равного наклона вместо плоскопараллельной пластинки можно использовать интерферометр Майкельсона :

Полосы равной толщины Оптическая разность хода с учетом потери полуволны:

Каждая из интерференционных полос возникает в результате отражении от участков клина с одинаковой толщиной, поэтому их называют полосами равной толщины. Рис. 7.15

Рис. а - световые лучи, отражаясь от верхней и нижней поверхностей тонкого воздушного клина, интерферируют и образуют светлые и темные полосы: б - интерференционная картина, наблюдаемая в случае оптически плоских стеклянных пластин; в - интерференционная картина, наблюдаемая в случае неплоских пластин.

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

Кольца Ньютона - Радиус m-го темного кольца - Радиус m-го светлого кольца

Схема интерферометра Рэлея Схема интерферометра Жамена

Полосы равного наклона получаются при освещении пластинки постоянной толщины рассеянным светом в котором содержатся лучи разных направлений Полосы равной толщины наблюдаются при освещении пластинки переменной толщины (клина) параллельным пучком света

6. Применение интерференции света 1. Расположение интерференционных полос зависит от длины волны и разности хода лучей. Это позволяет по виду интерференционной картины (или их смещению) проводить точные измерения расстояний при известной длине волны или, наоборот, определять спектр интерферирующих волн (интерференционная спектроскопия). 2. По интерференционной картине можно выявлять и измерять неоднородности среды, в которой распространяются волны, или отклонения формы поверхности от заданной.

3. Явление интерференции волн, рассеянных от некоторого объекта (или прошедших через него), с «опорной» волной лежит в основе голографии (в т.ч. оптической, акустической или СВЧ-голографии). Голографический негатив, освещенный монохроматическим светом, дает полное трехмерное изображение, парящее в пространстве. На фотопленку попадают как отраженный от предмета лазерный свет, так и опорный пучок от зеркала

4. Интерференционные волны от отдельных «элементарных» излучателей используется при создании сложных излучающих систем (антенн) для электромагнитных и акустических волн. 5. Просветление оптики и получение высоко прозрачных покрытий и селективных оптических фильтров. 6. Получение высокоотражающих электрических зеркал