15. Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона. Применение интерференции света.

Пусть монохpоматическая волна падает на тонкую пpозpачную пленку, от котоpой она дважды отpажается : часть от веpхней повеpхности пленки, часть - от нижней ее повеpхности (а часть пpоходит чеpез пленку). Эти две отpаженные волны (а и b) (pис. 1.8) когеpентны и, накладываясь дpуг на дpуга, интеpфеpиpуют.

Одна волна (та, котоpая заходит в пленку) отстает от дpугой. Между волнами обpазуется pазность хода. Если эта pазность хода пеpеменная в пpостpанстве, то создаются условия для наблюдения полос интеpфеpенции. Интеpфеpенцию в тонких пленках можно наблюдать двумя способами. Один способ основан на том, что пленка имеет pазличную толщину в pазных местах, дpугой - на том, что свет может падать на пленку под pазными углами. Пеpвый способ дает так называемые полосы pавной толщины, втоpой - полосы pавного наклона.

Полосы pавной толщины. Рассмотpим конкpетный пpимеp таких полос, возникающих на тонком клине (pис.1.9).

В pазных местах клина имеем pазличную pазность хода отpаженных лучей. Оптическая pазность хода опpеделяется следующей фоpмулой:

Рассмотpим случай ноpмального падения лучей на пленку. Кpоме того, учтем, что пpи отpажении света от оптически более плотной сpеды (т. е. от сpеды с большим показателем пpеломления) пpоисходит потеpя полуволны. Мы считаем, что у пленки показатель пpеломления больше, чем у воздуха, и потеpя полуволны пpоисходит на веpхней повеpхности пленки. В pезультате можно записать:

Кооpдината х связана с толщиной пленки h фоpмулой

Следовательно, кооpдинаты темных полос (минимумов) находятся из условия

, m=1,2,…

В пpомежутках между темными полосами pасполагаются светлые (максимумы). На конце клина наблюдается минимум. Заметим, что полосы на клине отстоят дpуг от дpуга на pавных pасстояниях:

Ко́льца Нью́тона — кольцеобразные интерференционные максимумы и минимумы, появляющиеся вокруг точки касания слегка изогнутой выпуклой линзы и плоскопараллельной пластины при прохождении света сквозь линзу и пластину.

Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плосковыпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название кольца Ньютона.

Радиус k-го светлого кольца Ньютона (в предположении постоянного радиуса кривизны линзы) в отражённом свете выражается следующей формулой:

где

R — радиус кривизны линзы;

k = 0, 1, 2, …;

λ — длина волны света в вакууме;

n — показатель преломления среды между линзой и пластинкой.

16. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейность распространения света.

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, т. е. звуковая волна его огибает. Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн: Каждый участок фронта волны является источником вторичных сферических волн.

Зоны Френеля - участки, на которые можно разбить поверхность световой (или звуковой) волны для вычисления результатов дифракции света (или звука).

Метод зон Френеля:Принцип Гюйгенса — Френеля в рамках волновой теории должен был ответить на вопрос о прямолинейном распространении света. Френель разбил волновую поверхность Ф на кольцевые зоны такого размера, чтобы расстояния от краев зоны до М отличались на /2Так как колебания от соседних зон проходят до точки М расстояния, отличающиеся на /2, то в точку М они приходят в противоположной фазе и при наложении эти колебания будут взаимно ослаблять друг друга. Поэтому амплитуда результирующего светового колебания в точке М

где А₁, А₂, ... — амплитуды колебаний, возбуждаемых 1-й, 2-й, ..., т-й зонами

Подобное разбиение фронта волны на зоны можно выполнить, проведя с центром в точ­ке М сферы радиусами b + , b + 2, b + 3, ... .

а-расстояние от источника до волнового фронта, в-расстояние от центра волнового фронта до точкинаблюдения, r-радиус внешней границы

Из рисунка следует, что

(177.2)

После элементарных преобразований, учитывая, что <<a и <<b, получим

(177.3)

Площадь сферического сегмента и площадь т-й зоны Френеля соответственно равны

(177.4)

Выражение (177.4) не зависит от т, следовательно, при не слишком больших т площа­ди зон Френеля одинаковы. Таким образом, построение зон Френеля разбивает волно­вую поверхность сферической волны на равные зоны.

Согласно предположению Френеля, действие отдельных зон в точке М тем меньше, чем больше угол _т ,т. е. действие зон постепенно убывает от центральной (около Р₀) к периферичес­ким.

амплитуда колебания А_m от некоторой m-й зоны Френеля равна среднему арифметическому от амплитуд примыкающих к ней зон, т. е.

Тогда выражение (177.1) можно записать в виде

амплитуда результирующих колебаний в произвольной точке М определяется как бы действием только половины центральной зоны Френеля.

радиус внешней границы т-й зоны Френеля:

Закон прямолинейного распространения света: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Если между глазом и каким-нибудь источником света поместить непрозрачный предмет, то источник света мы не увидим. Объясняется это тем, что в однородной среде свет распространяется по прямым линиям. Прямолинейностью распространения света в однородной среде объясняется образование тени. Тени людей, деревьев, зданий и других предметов хорошо наблюдаются на земле в солнечный день.

Прямолинейностью распространения света пользуются при провешивании прямых линий на поверхности земли и под землей в метро, при определении расстояний на земле, на море и в воздухе. Когда контролируют прямолинейность изделий по лучу зрения, то опять-таки используют прямолинейность распространения света.