Landsberg-1985-T3

ПРИГОТОВJlенная с ОПТИческой точностью обработанная по­ верхность, а сам объект.

Таким образом, метод голографической интерферометрии неизмеримо расширяет возможности интерференционных оптических наб,'Iюдепий и измерений, в частности, как l\lbI

отмечали, ПОЗ130ляет исследовать деформации объектов про­

извольнои формы И С ПРОИЗВОЛЬНЫ~I качеством поверхности,

Рис. 291. Изображение деформированного шарикового подшипника

а также деталей, никак специально ДJlЯ этого не подготов­

ленных.

На рис. 291 показано изображение шарикового' подшип­

НИl{а, сжатого в кулачках патрона токарного станка. Оно

ПОJlучено в результате просвеЧJJвания «двойной» ГОЛОГРЮ.I­

мы, которая записыва.1ась сначала до, а затем после возник­

новения деформации в объекте. Интерференщюнные ПОJlОСЫ

на повеРХНОСТJI ПОДШИПIIика выявляют распределение этих

дефОРl\IЩИЙ.

Голографическая интерференция широко применяется

для целей неразрушающего контроля. Можно, например,

выявлять раковины и слабые места сварки в стенках полых

сосудов. Для этого нагревают воздух внутри сосуда, что

вызывает расширение его стенок, причем участки с различ­

ной теплопроводностью расширяются по-разному. Картина

интерференционных ПО,10С позволяет обнаруживать места, в

которых теплопроводность отлична от нормальнои. Ана­

JJОГИЧНО этому Испытывают сосуды ПОД Давлением: ослаблен­

ным местам будут соответствовать более частые интерферен­

ционные полосы.

364

Возможно использование голографической интерферен­

ции и для контроля качества автомобильных шин по дефор­

мации их поверхности при небольшом изменении давления (рис. 292). На ослабленные места указывают области ВЫ­

сокой концентрации интерференционных полос (отмечены

Рис. 292. Изображение дефектной автомобильной шины (В двух проек­

циях)

стрелками). На рисунке приведены восстановленные изоб­

ражения шины в двух проекциях.

Голографический метод применяется также для исследо­

вания колебательных процессов. В этом случае обычным

способом снимают голограмму колеблющейся поверхности, например, мембраны, причем продолжительность экспони­

рования голограммы значительно превосходит период коле­

бания мембраны. Таким образом, в течение экспозиции колеблющаяся поверхность многократно проходит все поло­ жения, заКЛЮченные между двумя крайними. Однако боль­ шую часть времени мембрана находится в крайних положе­

ниях, поскольку при максимальном отклонении от положе­

ния равновесия скорость ее движения минимальна.

Полученную усредненную по времени голограмму мож­

но рассматривать в качестве двухэкспозиционной. С ее

помощью так же, как и в методе двух экспозиций, наблю­

даются интерференционные полосы, позволяющие рассчи­

тать амплитуду колебаний различных точек мембраны.

36S

Изображение мембраны, восстановленное. с подобной го" лограммы, прнведено на рис. 293.

Рис. 293. Изображение колеблющейся мембраны

.метод двух экспозиций с применением лазеров, дающих

мощные кратковременные импульсы света, с большим успе­ хом был применен для интерферометрии быстропротекаю­

щих процессов. На рис. 294 приведено изображение ле-

Рис. 294. Изображение ударных ВОЛН, создаваемых летящей пулей

тящей пули, полученное с помощью двухэкспозиционной

голограммы. Видны интерференционные полосы в области

ударной волны.

r л а в а XVI. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

НПОПЕРЕЧНОСТЬ СВЕТОВЫХ ВОЛН

§144. Прохождеllие света через турмалин. Явления ин­

терференции 11 дифракции, послужившие для обоснования

волновой природы света, не дают еще полного представле­

ния о характере световых волн. Новые черты открывает

нам опыт над прохождением света через кристаллы, в част­

ности через турмалин.

Возьмем две одинаковые ПрЯМОУГОЛhные пластинки тур­ малина *), вырезанные так, что одна из сторон прямоуголь­

ника совпадет с определенным направлением внутри кри­

сталла, носящим название оптической оси. Наложим одну

пластинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направ­

лению, и пропустим через сложенную пару пластинок уз­

кий пучок света от фонаря или солнца. Так как ТУР1>lалин

Рис. 295. Схема опыта по наблюдению прохождепия света через две

пластинки турмалина: S - источник света; 1 - первая и 2 - вторая

пластинки ТУ[1маЛИllа

представляет собой кристалл буро-зеленого цвета, то след

прошедшего пучка на э]{ране представится в виде темно­

эеленого пятнышка. Начнем поворачивать одну из пласти­

нок вокруг пучка, оставляя вторую неподвижной (рис. 295).

Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда

пластинка повернется на 90~, он совсем исчезнет. При даль-

*) ТУ[1малин - монокристалл сложного химического состава (со­ держащий окислы алюминия, кремния, бора и других химических эле­

ментов). (Прuмеч. ред.)

367

нейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь нач­ нет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда

пластинка повернется на 1800, т. е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальней­ шем вращении турмалина пучок вновь слабеет, проходит через минимум (исчезает), когда оси пластинок оказываются

перпендикулярными, и доходит до прежней интенсивности,

когда пластинка возвращается в первоначальное положение.

Таким образом, при повороте пластинки на 3600 интен­

сивность пучка, прошедшего через обе пластинки, два раза

достигает максимума (когда оси пластинок параллельны). Явления протекают совершенно одинаково, какую бы из

двух пластинок мы ни поворачивали и безразлично в какую сторону, а также будут ли пластинки соприкасаться или

находиться на некотором расстоянии друг от друга (рис. 295). Но если устранить одну из пластинок и вращать вторую, или вращать обе пластинки вместе так, чтобы оси их все время составляли неизменный угол, то мы не обнаружим ни­

какого изменения в интенсивности проходящего пучка. Та­

ким образом, изменение интенсивности происходит только

тогда, когда свет, прошедший одну из пластинок, встречает

другую, ось которой меняет свое направление по отношению

коси первой.

§145. Гипотезы, объясняющие наблюдаемые явления.

Понятие о поляризованном свете. Итак, свет, прошедший сквозь турмалин, приобретает особые свойства. Свойства световых волн в плоскости, перпендикулярной направле­

нию распространения света, становятся анизотРОnНblМИ,

т. е. неодинаковыми относительно плоскости, проходящей

через луч и ось турмалина. ПС!этому способность такого

света проходить через вторую пластинку турмалина зави­

сит от ориентации оптической оси этой пластинки относи­ телыю оптической оси первой пластинки. Такой анизотро­ пии не было в пучке, идущем непоср~дственно от фонаря (или солнца), ибо по отношению к этому пучку ориентация турмалина была безразлична.

Можно объяснить все наблюдающиеся явления, если

сделать следующие выводы.

1. Световые колебания в пучке направлены пер п е н­

Д И К У л я р н о к линии распространения света (световые

волны поперечны).

2. Турмалин способен пропускать световые колебания

только в том случае, когда Они направлены определенным

образом относительно его оси (например, параллельно оси).

368

3. В свете фонаря (солнца) представлены поперечные

является преимущественным.

Мы будем в дальнейшем называть свет, в котором в оди­

нaI<ОВОЙ доле представлены все направления поперечных колебаний, естественным свето.М.

Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одина­

ковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен

пропускать световые колебания только определенного на­

правления. Действительно, как бы ни был ориентирован

турмалин, в естественном свете всегда окажется одна и

та же доля колебаний, направление которых совпадает

с напраВ,ТIением, пропускаемым турмалином. Прохождение

естественного света через турмалин приводит к тому, что

из поперечных колебаний о т б и раю т с я тОлько те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет,

направления, определяемого ориентацией оси турмалина.

Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось

светового пучка,- плоскостью поляризации.

Теперь становится понятным опыт с прохождением света

через две последовательно поставленные пластинки турма­

лина. Первая пластинка п о л я риз у е т проходящий через нее пучок света, оставляя в нем колебания только о д­

лебаний, пропускаемых вторым турмалином, т. е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колеба­

ний в поляризованном свете пер п е н Д и к у л я р н о

к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмали­

ном, то свет будет п о л н о с т ь юза Д е р ж а н. ЭТО

имеет место, когда пластинки турмалина, как говорят,

с к р е Щ е н ы, т. е. их оси составляют угол 90°. Наконец,

если направление колебанииu в поляризованном светеI состав-

ляет острый угол с направлением, пропускаемым турмали­ ном, то колебания будут пропущены лишь ч а с т и ч н о.

§ 146. Механическая модель явлений поляризации. Объяс­

нение, предложенное в предыдущем параграфе, можно ил­ люстрировать с помощью механических опытов. Веревка,

369

колеблющаяся в одной плоскости, например в вертикаль­ ной, может служить моделью поляризованной световой волны. Моделью естественной световой волны служит

веревка, плоскость колебаний которой быстро меняется, принимая за короткий срок разнообразные ориентации.

Две доски, разделенные узким зазором (щель), играют роль

модели турмалина: колебания веревки, направленные вдоль зазора, легко проходят через щель, колебания, перпенди­

кулярные к зазору, задерживаются. Опыты, изображенные

Рис. 296. Механическая модель явления прохождення световой волны

через две пластинки турмалина

на рис. 296, вполне соответствуют описанным выше опти­

ческим опытам. Они показывают, что «естественные» коле­

бания веревки пропускаются в одинаковой степени при лю­

бой ориентации щели. Две последовательно поставленные щели пропускают колебания большей или меньшей ампли­

туды в зависимости от в з а и м н о й ориентации щелей. При перпендикулярности щелей колебание веревки сквозь

них не проходит. Опыты показывают также, что щель поля­ ризует «естественные» колебания веревки.

§ 147. Поляроиды. Кристалл турмалина далеко не един­

ственный кристалл, который поляризует проходящий через него свет. Очень многие кристаллы обладают подобными свойствами. Но большинство из них, например исландский

шпат, пропускает одновременно Д в а л у ч а, п о л я р и­

зованных в двух взаимно перпендику­

л я р н ы х н а п р а в л е н и я х. Это нередко затрудняет

наблюдение поляризованного света и требует специальных

приспособлений для отделения одного из этих лучей от дру­ гого. Некоторые кристаллы, в том числе и турмалин, п 0-

г л о Щ а ю т один из двух поляризованных лучей настоль­ ко сильно, что сквозь пластинку толщиной около миллимет­ ра практически проходит только один луч, поляризованный

в определенном направлении. Такие кристаллы называют

дuхроuчН,ымu.

Существуют кристаллы, еще сильнее задерживающие

один из поляризованных лучей, чем это происходит в ТУР-

370

малине (например, кристаллы иодистого хинина), так что

кристаллическая пленка толщиной в десятую долю милли­

метра и даже тоньше практически полностью отделяет один

из поляризованных лучей. Нанося эти пленки на целлулоид,

получают поляризующую пластинку размером в несколько

квадратных дециметров. Такие пластинки носят название поляроидов и представляют собой удобные и дешевые поля­

ризующие приспособления большой поверхности. Все опы­

ты, описанные в § 144, легко могут быть проделаны с двумя

кусочкаМII поляроида.

§ 148. Поперечность световых волн и электромагнитнаtl

теория света. Гипотезы § 145 настолько полно и хорошо

позволили объяснить все детали опытов с турмалином, что

можно считать эти гипотезы вполне обоснованны:vrи. Важ­

нейшей из них является вывод о поп е р е ч н о с т и

с в е т о в ы х в о л н. С помощью представления о попе­

речных световых волнах удается также превосходно объяс~

нить и многочисленные другие явления, связанные с поля­

ризацией света. Таким образом, обширная и разнообразная группа явлений поляризации света служит надежным обос­

нованием идеи, согласно которой световая волна есть волна

поперечная, т. е. направления колебаний в ней перпендику­

лярны к направлению распространения волны.

Признание световых волн поперечными имело очень

большое значение в учении о свете. Френель, Юнг *) и

другие исследователи, обосновавшие волновую природу

света, полагали, что световые волны имеют характер упру­

гих волн, распространяющихся в особой среде, заполняю­ щей все пространство и названной световым эфиром. Впос­

ледствии, однако, выяснилось, что гипотеза упругого эфира

и представление о свете как об упругих волнах не могут

удовлетворительно объяснить ряд вновь открытых явлений.

Так, были установлены факты, обнаруживавшие тесную

связь между электромагнитными и оптическими явлениями.

Из этих фактов на первом месте стояли опыты, показавшие

возможность воздействовать при помощи магнитного или электрического поля на характер поляризации света. Далее

было открыто влияние электрического и магнитного полей

на частоту света, испускаемого атомами, и возможность при

помощи света вызывать некоторые электрические процессы

(например, фотоэффект; см. ниже, § 183) и т. д. Связь между

оптическими и электромагнитными явлениями нашла свое

*) Томас Ю н г (1773-1829) - английский физик,~_ врач.

r л а в а XYII. U.lКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

§ 149. Способы исследования электромагнитных волн раз­ личной длины. Электромагнитные BOJ1HbI, применяемые

в радиотехнике, имеют длину от нескольких километров до

нескольких сантиметров. Электромагнитные же волны, пред­ ставляющие собой свет, характеризуются длиной волны в несколько десятых микрометра. Это простое сопоставление

показывает, что к о л и ч е с т в е н н о е раз л и ч и е

вдлине волны приводит к глубокому к а ч е с т в е н н о 1\'1 У раз л и чию во многих свойствах и особенностях элек­ тромагнитных волн. Во:шикает важная задача ближе озна­

комиться со свойства\!И Э.'lектромагнитных волн разной

длины. Для разделения волн различной длины обычно при­ меняют какой-либо способ разложеlIИЯ сложного излучения

вс п е к т р. В случае ВИДИI\ЮГО спета для этой цели можно воспользоваться дифраКЦИОНIIОЙ решеткой (см. § 136) или призмой (см. § 86).

Рассматривая полученный на экране спектр, мы убежда­

емся в возможности по цвету различать глазом волны раз­

личной длины. Однако, как уже неоднократно указывалось,

глаз воспринимает только те электромагнитные волны, дли­

на которых лежит в пределах (приблизительно) от 400 до 760 нм. Границы эти, конечно, довольно неопределенны, и отдельные наблюдатели способны «видеть» волны и несколь­ ко более KopoTKlle (примерно до 370 нм) и несколько более длинные (около 800 11М). НеобходИ\ю поэтому найти более общий способ обнаружеlIИЯ Э.lектромагнитных волн, чем

наблюдение при по\-ющи глаза.

Так как распространяющаясS1 элеКТРО\lагнитная волна

любой длины несет энергию, то таким более общим способом может явиться измерение энергlН! полны. Наиболее удоб­ ный для этой цели прие\! заключается в препращении элект­ ромагнитной энергии волны во внутреннюю энергию ве­ щества, возрастание которой сопровождается нагреванием тела. Нагревание тел обнаруживается очень хорошо Пр'И

373