17. Использование явления интерференции для оптических измерений. (по результатам л.Р)

Интерференция - явление наложения волн, в результате которого происходит устойчивое во времени усиление волн в одних точках и ослабление в других. Интерференция проявляется, когда волны когерентны, т. е. они монохроматические и с равными частотами. Разность фаз должна быть постоянна. Оптической разностью хода называется разность оптических длин, проходимых светом. Оптической длиной называется геометрическая длина умноженная на показатель преломления.

В данной работе для получения когерентных источников света исползуетсябипризма Френеля. В ней происходит разделение световых волн, идущих от одного источника, в результате преломления света на гранях бипризмы и образования двух мнимых источников, которые, естественно, будут когерентными, т. к. волны физически идут от одного действительного источника. За бипризмой свет опять сливается, образуя на экране интерференционную картину, изучая которую можно определить длину волны, излучаемой источником.

 Для получения когерентных источников света используется бипризма Френеля. В ней происходит разделение световых волн, идущих от одного источника, в результате преломления света на гранях бипризмы и образования двух мнимых источников, которые, естественно, будут когерентными, т. к. волны физически идут от одного действительного источника. За бипризмой свет опять сливается, образуя на экране интерференционную картину, изучая которую можно определить длину волны, излучаемой источником.

Источником света служит лампа накаливания. Светофильтр (зеленый), расположенный перед лампой, пропускает определенную, которую и надлежит изучить область спектра излучения лампы. На оптической скамье, снабженной линейкой с миллиметровыми делениями, помещены укрепленные на держателях вертикальная щель S, бипризма Р и окуляр О. Ширину щели можно изменять с помощью винта, находящегося в верхней части ее оправы. Щель и бипризма могут быть повернуты вокруг вертикальной, а бипризма и вокруг горизонтальной осей. Для получения отчетливых полос интерференционной картины необходима, чтобы плоскости щели и основания бипризмы были параллельны. Это достигается соответствующим поворотом бипризмы или щели.

18. Дифракция волн

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляетсядифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракция происходит в том случае, когда размеры препятствий соизмеримы с длиной волны: L ~ Л.

Дифракционная картина, полученная на экране, расположенном за различными преградами, представляет собой результат интерференции: чередование светлых и темных полос (для монохроматического света) и разноцветных полос (для белого света). Дифракционная решетка - оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Число штрихов у хороших дифракционных решеток доходит до нескольких тысяч на 1 мм.

и сточника S к точке наблюдения P в основном распространяется в пределах первой зоны Френеля переменного радиуса   ( ).

            Решение осесимметричных задач дифракции получается с помощью векторных диаграмм, построенных с помощью специальной спирали, которая более детально описывает волновые поля отдельных зон Френеля. С целью получения этой спирали каждый вектор нечетной зоны Френеля на рис. 6.6 дополняется полуокружностью, расположенной справа от него, а каждый вектор четной зоны Френеля – полуокружностью, расположенной слева от него (рис. 6.8).

 

Рис. 6.8

В се эти полуокружности совмещаются таким образом, чтобы образовать непрерывную спираль, которая закручивается вокруг конца результирующего вектора, описывающего суммарное волновое поле в точке наблюдения P.

            Какой физический смысл имеют эти полуокружности? Если зону Френеля разбить на большое количество кольцевых подзон с одинаковой площадью, то векторы, описывающие волновое поле этих подзон в точке наблюдения P, образуют ломаную линию, лежащую на соответствующей полуокружности (см. рис. 6.9 для центральной первой зоны Френеля).

Р ис. 6.9

 

Векторы отдельных подзон, сложенные по правилу треугольника, дают вектор, описывающий волновое поле всей зоны Френеля.

            В осесимметричных задачах дифракции круглый непрозрачный диск или непрозрачный плоский экран с круглым  отверстием закрывает для выбранной точки наблюдения часть зон Френеля на волновой поверхности, проходящей через диск или отверстие. Спираль на рис. 6.8 позволяет с помощью векторной диаграммы просуммировать вклады вторичных волн открытых зон Френеля. Если первичная волна является плоской, то число зон Френеля  , которое помещается на круге радиусом r, описывается формулой

,                                                   (6.7)

где λ – длина волны, L – расстояние от центра круга до точки наблюдения. Величина   называется числом Френеля и используется для оценки числа открытых (случай круглого отверстия в экране) или закрытых (случай непрозрачного круглого диска) зон Френеля.