13. Интерференция в тонких плёнках. Кольца Ньютона. Просветлённая оптика. Интерферометры, рефрактометры.

В природе часто можно наблюдать радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленка на металлах), возникающее в ре­зультате интерференции света, отраженного двумя поверхностями пленки.

Пусть на плоскопараллельную прозрачную пленку с показателем преломления n и толщиной d под углом α падает плоская монохроматическая волна (для простоты рассмотрим один луч). На поверхности пленки в точке A луч разделится на два: частично отразится от верхней поверхности пленки, а частично преломится и отразится от задней её поверхности в точке D и вновь преломится, выходя в воздух под углом α параллельно отражённому лучу 1. Если на их пути поставить собирающую линзу, то они сойдутся в одной из точек P фокальной плоскости линзы. Луч, отражённый от нижней поверхности, будет когерентен с лучом, отражённым от верхней плоскости. Поэтому при его выходе из плёнки он будет интерферировать с лучом 1.

Разность хода лучей равна:

Из закона преломления имеем:

Подставим эти выражения и получим:

Если один из лучей отражается от среды оптически более плотной, то нужно добавить половину длины волны в вакууме:

Частные случаи интерференции света:

1)Полосы равного наклона возникают в результате интерференции световых волн, падающих на плоскопараллельную пластинку под одним и тем же углом.

2)Полосы равной толщины

Интерференционная картина возникает в результате наложения лучей, отражённых от участков клина с равной толщиной, называется полосами равной толщины.

Кольца Ньютона.

Кольца Ньютона, являющиеся классическим примером полос равной толщины, наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны. Параллельный пучок света падает нормально на плоскую поверхность линзы и частично отражается от верхней и нижней поверхностей воздушного зазора между линзой и пластинкой. При наложении отраженных лучей возникают полосы равной толщины, при нормальном падения света имеющие вид концентрических окружностей, при наклонном падении – эллипсов. Общий центр колец расположен в точке касания. Найдем радиусы колец Ньютона, получающиеся при падении света по нормали к пластинке.

,

Чтобы учесть возникающее при отражении от пластинки изменение фазы на π, нужно к

Чётным m соответствуют радиусы светлых колец, нечётным m – радиусы тёмных колец.

.

Просветление оптики – улучшение качества оптических приборов.

Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы сопровождается отражением примерно 4% падающего света, в сложных объективах потери светового потока значительны. Кроме того, отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов.

В просветлённой оптике для устранения отражения света на каждую поверхность линзы наносится тонкая плёнка вещества с показателем преломления иным, чем у линзы. Толщина плёнки подбирается так, чтобы волны, отражённые от обеих её поверхностей, погашали друг друга. Особенно хороший результат достигается в том случае, если:

При этом условии интенсивность обеих отражённых от поверхности плёнки волн одинакова:

Отражательная способность стекла, просветленного таким способом, сильно зависит от длины волны, что является основным недостатком однослойного просветления. Минимум отражательной способности соответствует длине волны , где d – толщина пленки, n – её показатель преломления.

Многослойное просветляющее покрытие представляет собой последовательность чередующихся слоев (их число достигает 15 и более) из двух (или более) материалов с различными показателями преломления. Многослойные просветляющие покрытия характеризуются низкими потерями на отражение. Основное преимущество многослойного просветления применительно к фотографической и наблюдательной оптике – незначительная зависимость отражательной способности от длины волны в пределах видимого спектра.

Интерферометр – измерительный прибор, в котором используется интерференция волн. Существуют для звуковых и для электромагнитных волн: оптических (ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра) и радиоволн различной длины. Оптические интерферометры применяются для измерения длин волн спектральных линий, показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных длин, угловых размеров звёзд, для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей. Принцип действия всех интерферометров одинаков: пучок света с помощью того или иного устройства разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические, пути, а затем сводятся вместе. В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина. Интерферометры различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. По числу интерферирующих пучков света оптические интерферометры можно разбить на многолучевые и двухлучевые. 

Примером двухлучевого интерферометра может служить интерферометр Майкельсона.

Пучок света от источника S падает на полупрозрачную пластинку , покрытую тонким слоем серебра. Половина светового потока отражается пластинкой в направлении луча 1, половина проходит сквозь пластинку и распространяется в направлении луча 2. Пучок 1 отражается от зеркала и возвращается к , где он делится на два равных пучка. Один из них проходит сквозь пластинку и образует пучок , второй отражается в направлении S . Пучок 2, отразившись от зеркала , тоже возвращается к пластинке , где он делится на две части: отразившийся от полупрозрачного слоя пучок и прошедший пучок сквозь слой. Пучки света имеют одинаковую интенсивность.

При соблюдении условий когерентности пучки будут интерферировать. Результат интерференции будет зависеть от оптической разности хода от пластинки до зеркал и обратно. Луч 2 проходит толщу пластинки трижды, луч 1 – только один раз. Чтобы скомпенсировать возникающую за счёт этого разную оптическую разность хода, на пути луча 1 ставится не посеребрённая пластинка . Интерференционная картина наблюдается с помощью зрительной трубы T.

Рефрактометр - прибор, измеряющий показатель преломления света в среде.

Схема, поясняющая принцип действия интерференционного рефрактометра:

Две части светового луча, проходя через кюветы длиной l , заполненные веществами с различными n , приобретают разность хода и, сведённые вместе, дают интерференционную картину (показана справа).

Этот метод применяют при измерениях n газов и разбавленных растворов.