4. Контрольные вопросы и задания

1. В чем состоит классический опыт Юнга по наблюдению интерференционной картины? Из какого условия находятся минимальные и максимальные значения интенсивности на экране для этого случая?

2. Что называется интерференцией?

3. В результате интерференции каких волн получается четкая интерференционная картина?

4. Как связаны между собой когерентность и монохроматичность световых волн?

5. Может ли наблюдаться интерференционная картина в солнечном свете?

6. Какие существуют способы получения когерентных волн в оптике?

7. Объясните принцип действия билинзы Бийе, бизеркал Френеля, зеркала Ллойда?

8. Точечный монохроматический источник света (l = 0,5 мкм) расположен на оси симметрии бипризмы Френеля, перпендикулярной наибольшей стороне, на расстоянии 0,1 м от бипризмы, а плоский экран находится на расстоянии 2,9 м от бипризмы. Сколько белых и темных полос образуется на экране (угол a при вершине бипризмы составляет 20^’, толщиной бипризмы в расчетах можно пренебречь)?

9. Найдите распределение интенсивности на экране в установке с зеркалами Френеля. Интерферирующие лучи падают на экран приблизительно перпендикулярно его поверхности.

10. Найдите ширину полос интерференции в установке с зеркалом Ллойда, если известна длина волны излучения, расстояние от вторичных источников до экрана и расстояние от источника до зеркала.

Лабораторная работа

Кольца ньютона

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение явления интерференции в тонких клиньях с помощью колец Ньютона (полосы равной толщины), определение радиуса кривизны линзы и длины световой волны с помощью такой интерференционной схемы.

ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: маломощный непрерывный лазер, ртутная лампа, оптическая скамья, набор светофильтров, микроскоп, волоконный световод, система «линза-пластинка» для наблюдения колец Ньютона.

1. Теоретическая часть [1¸6]

1.1. Виды интерференционных полос

Происхождение интерференционной картины и способ ее получения определяют вид интерференционных полос, представляющих собой чередующиеся максимумы и минимумы интенсивности света.

Пусть интерференционное устройство представляет собой слой прозрачного диэлектрика с частично отражающими и пропускающими поверхностями, в котором возникает геометрическая разность хода D при произвольном угле падения j света на это устройство. К такому типу интерферометров можно отнести плоскопараллельные и клиновидные диэлектрические пластины (например, интерференция в тонких пленках, кольца Ньютона и др.), а также интерферометры, расщепляющие пучки с помощью зеркал (интерферометр Майкельсона и его аналоги, эталон Фабри-Перо). Здесь можно рассмотреть три вида интерференционных полос, получающихся при следующих условиях:

1. l = const; j = const. При вариации геометрической разности хода имеют место полосы равной толщины.

2. l = const; D = const. При вариации угла падения получаем полосы равного наклона.

3. j = const; D = const. При вариации длины волны получаем полосы равного хроматического порядка.

Полосы равной толщины возникают в том случае, если интерферирующие пучки после прохождения интерференционной системы имеют реальное или мнимое пересечение в пространстве изображений.

Полосы равного наклона возникают между параллельными пучками света, которые после прохождения интерферометра приобретают определенную разность хода.

Полосы равного хроматического порядка в интерференционных схемах используется крайне редко (для очень точных измерений толщины плоскопараллельных пластин или воздушных промежутков).

1.2. Интерференция в тонких пленках

При распространении световой волны в среде уменьшается скорость распространения волны и соответственно ее длина, т.к. частота не изменяется. При расчете изменения фаз волны в среде в качестве длины пути удобнее брать оптическую длину пути, равную геометрической длине, умноженной на показатель преломления:

. (1)

Тогда длину волны и волновой вектор в формулах можно задавать равными их значениям в вакууме. Аналогично (1) вводится и связь между геометрической и оптической разностью хода.

Рис.1

Полосы равного наклона. Рассмотрим случай, когда плоская монохроматическая волна падает под углом j на поверхность плоскопараллельной пластинки с относительным показателем преломления n и толщиной h (рис.1). Интерференция возникает между двумя волнами, отраженными от верхней и нижней поверхностями пластины. Так как эти пучки параллельны между собой, то интерференция наблюдается (локализована) или на бесконечности, или в фокальной плоскости F линзы Л. С учетом потери полволны на границе раздела сред (если n > 1, то в точке A, если n < 1, то в точке B) оптическая разность хода в данном случае равна

. (1)

Проведем ряд несложных преобразований для нахождения оптической разности хода.

. (2)

Тогда

. (3)

Далее,

. (4)

Но

. (5)

Поэтому

. (6)

Тогда:

(7)

Здесь учтена связь из закона Снеллиуса углов падения j и преломления q:

. (8)

Таким образом, получаем для оптической разности хода:

. (9)

Условием максимума интерференционной картины является (см. лабораторную работу «Бипризма Френеля»:

. (10)

а условием минимума –

(11)

Если на пластинку падают непараллельные пучки света, то и интерферирующие пучки будут иметь все всевозможные направления распространения. При заданных толщине пластины и показателе преломления каждому углу падения волны соответствует своя интерференционная полоса. Поэтому такие полосы и называют полосами равного наклона. При аксиально симметричном распределении падающих пучков линии равного наклона являются окружностями.

Даже если источник света протяженный, и различные его точки излучают некогерентно, интерференционные картины не зависят от фазы волны в точке расщепления пучков на поверхности пластины (точка A на рис.1) и от положения этой точки, а зависят лишь от угла падения. Поэтому конечность размеров источника не смазывает картину полос равного наклона и не является ограничивающим интерференцию фактором.

Если падающий свет не монохроматичный, при увеличении разности длин падающих волн интерференционные кольца разделяются и при некотором значении этой разности полосы соседних порядков перекрываются. Разность длин волн, при которой наступает перекрытие полос соседних порядков интерференции, называется дисперсионной областью (или областью свободной дисперсии). Увеличение толщины пластины уменьшает дисперсионную область. Для наблюдения интерференции в белом свете толщина должна быть достаточно малой (~ 10 мкм). Поэтому в данном случае речь идет об интерференции в тонких пленках.

Рис. 2

Полосы равной толщины. Теперь рассмотрим интерференцию света на пластинке с переменной толщиной (клине) (рис.2). В световом потоке, исходящем из источника S монохроматического света всегда присутствует волна 2, интерферирующая в точке C с волной 1, прошедшей по пути SABC. Если источник расположен достаточно далеко от поверхности клина и угол между поверхностями клина достаточно мал (эти условия на практике при изучении такой схемы интерференции, как правило, выполняются), то оптическая разность хода приблизительно определяется при прочих равных условиях толщиной клина в точке C и высчитывается по той же формуле, что и (9). Однако в этом случае интерференционная картина локализована на верхней поверхности клина. Интерференционную картину можно также наблюдать и с помощью линзы на экране. В этом случае поверхность проецируется на экран наблюдения. Линии одинаковой интенсивности совпадают с линиями постоянной толщины пластины, поэтому соответствующие интерференционные полосы называются полосами равной толщины. Ограничения на толщину клиновидной пластины, связанные со степенью временной когерентности (или монохроматичности) такие же, как и в случае плоскопараллельной пластины.

1.3. Кольца Ньютона

Рис. 3

Примером интерференционной схемы, в которой наблюдаются полосы равной толщины, является воздушная прослойка, образованная между плоской поверхностью стекла и положенной на нее плосковыпуклой линзой (или наоборот) (рис.3). В этом случае линии равной толщины – окружности, поэтому интерференционная картина имеет вид концентрических колец. Потеря полволны происходит на нижней поверхности воздушного клина. Пусть h – толщина воздушного клина в точке минимума картины (темное кольцо), R – радиус кривизны линзы. Найдем радиус темного интерференционного кольца m-го порядка. Из геометрии рисунка видно, что

. (12)

Учитывая, что , получаем. Используя условие минимума (11), получаем для радиусаm-го темного кольца:

. (13)

Отметим, что используя условие максимума (10), аналогично можно получить выражение для радиуса m-го светлого кольца:

. (14)

Следовательно, измерив радиус m-го интерференционного кольца и зная радиус кривизны линзы, можно определить длину волны света (или решить обратную задачу).

Интерференционные кольца наблюдаются как в отраженном, так и в прошедшем свете. При этом там, где в отраженном свете наблюдается светлое кольцо, в прошедшем – темное, т.е. интерференционные картины в прошедшем и отраженном свете являются взаимно дополнительными. Центральное пятно в отраженном свете – темное, т.к. толщина воздушного клина пренебрежимо мала, и волны интерферируют практически в противофазе из-за потери полволны. В белом свете, как и следует из формул (13, 14), наблюдаются цветные кольца.

Контрастность интерференционных картин в отраженном и прошедшем свете неодинакова. Для наблюдения четкой интерференционной картины в отраженном свете поверхности клина должны обладать малым коэффициентом отражения, а в прошедшем – большим. Это легко видеть из соотношений амплитуд интерферирующих волн, которые для лучшей видимости должны стремиться к единице. Для отраженных волн оно равно , а для прошедших –, где – энергетический коэффициент отражения.