2.4. Способы наблюдения интерференции света

Для получения интерференционной картины необходимы когерентные световые пучки, для формирования которых применяются различные искусственные приемы. До появления лазеров во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные пучки получали, как отмечалось выше, разделением и последующим сведением световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Практически это можно осуществить с помощью экранов со щелями, зеркал и преломляющих тел (призм). Обсудим некоторые из таких способов.

Метод Юнга

Источником света служит ярко освещенная щель S, от которой свет падает на две равноудаленные щели s₁, и s₂, параллельные щели S (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Метод Юнга наблюдения интерференции

Таким образом, щели S₁ и S₂ являются источниками когерентных пучков света. Интерференционная картина может наблюдаться на экране Э, расположенном на некотором расстоянии от щелей.

Бизеркало Френеля

Классическим устройством, позволяющим наблюдать интерференцию света, является бизеркало Френеля (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Бизеркало Френеля

Свет, излучаемый источником S, отражается от двух зеркал, расположенных под углом, близким к 180° (угол  достаточно мал). В результате получаются два световых пучка, которые распространяются от двух мнимых источников S₁ и S₂, излучения которых будут когерентными, так как они являются и изображениями одного и того же действительного источника S. При этом лучи, идущие от S₁ и S₂ к экрану, пройдя различные пути, складываются в интерференционную картину. (Непрозрачный экран Экр преграждает свету непосредственный путь от источника S к экрану Э.)

Бипризма Френеля

Бипризма Френеля представляет собой две одинаковые призмы с малым преломляющим углом, сложенные основаниями так, что образуется общая плоская грань (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Бипризма Френеля

Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются когерентные световые пучки, исходящие как бы из двух мнимых источников S₁ и S₂, как и в случае бизеркала Френеля. Таким образом, на экране происходит наложение когерентных световых пучков и наблюдается интерференционная картина.

2.5. Интерференция света в тонких пленках

Радужная окраска мыльных пузырей или бензиновых пленок на воде возникает в результате интерференции солнечного света, отраженного двумя поверхностями пленки.

Пусть на плоскопараллельную прозрачную пленку с показателем преломления п и толщиной d под углом i_П падает плоская монохроматическая волна с длиной  (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Интерференция света в тонкой пленке

Интерференционная картина в отраженном свете возникает на пленке из-за наложения двух волн, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки. Рассмотрим сложение волн, выходящих из точки С. Плоскую волну можно представить как пучок параллельных лучей. Один из лучей пучка (2) непосредственно попадает в точку С и отражается (2') в ней наверх под углом, равным углу падения i_П. Другой луч (1) попадает в точку С более сложным путем: сначала он преломляется в точке А и распространяется в пленке, затем отражается от нижней ее поверхности в точке 0 и, наконец, выходит, Преломившись, наружу (1') в точке С под углом, равным углу падения i_П. Таким образом, в точке С пленка отбрасывает вверх два параллельных луча, из которых один образовался за счет отражения от нижней поверхности пленки, второй  вследствие отражения от верхней поверхности пленки. (Пучки, возникающие в результате многократного отражения от поверхностей пленки, не рассматриваются ввиду их малой интенсивности.)

Оптическая разность хода, приобретаемая лучами 1 и 2 до того, как они сойдутся в точке С, равна

(2.23)

Полагая n_ВОЗД=1 и учитывая соотношения и а также

находим

(2.24)

Используем закон преломления света

(2.25)

откуда

(2.26)

Таким образом,

(2.27)

Кроме оптической разности хода L, следует учесть изменение фазы волны при отражении. В точке С на границе раздела «воздух  пленка» происходит отражение от оптически более плотной среды, то есть среды с большим показателем преломления. При не слишком больших углах падения в этом случае фаза претерпевает изменение на . (Такой же скачок фазы происходит при отражении волны, бегущей вдоль струны, от ее закрепленного конца.) В точке 0 на границе раздела «пленка  воздух» свет отражается от оптически менее плотной среды, так что скачка фазы не происходит.

В итоге между лучами 1' и 2' возникает дополнительная разность фаз , соответствующая, как следует из формулы (2.12), оптической разности хода /2, которую можно учесть, если величину L уменьшить или увеличить на половину длины волны в вакууме.

Следовательно, при выполнении соотношения

(2.28)

получается максимум интерференции в отраженном свете, а в случае

(2.29)

в отраженном свете наблюдается минимум.

Таким образом, при падении света на бензиновую пленку на воде в зависимости от угла зрения и толщины пленки наблюдается радужная окраска пленки, свидетельствующая об усилении световых волн с определенными длинами . Интерференция в тонких пленках может наблюдаться не только в отраженном, но и в проходящем свете.

Как уже отмечалось, для возникновения наблюдаемой интерференционной картины оптическая разность хода интерферирующих волн не должна превышать длины когерентности L_КОГ, что накладывает ограничение на толщину пленки.

Пример. На мыльную пленку (п=1.3), находящуюся в воздухе, падает по нормали пучок белого света. Определим, при какой наименьшей толщине d пленки отраженный свет с длиной волны =0.55 мкм окажется максимально усиленным в результате интерференции.

Из условия интерференционного максимума (2.28) находим для толщины пленки выражение (угол падения i_П=0). Минимальное значение d получается при т=0: