Исследование интерференции света и определение длины волны используемого излучения

Методическое указание к лабораторной работе

ПЕНЗА 2007

Цель работы - изучение методов наблюдения интерференционной картины и измерения ее параметров, определение длины волны используемого излучения.

Приборы и принадлежности

1. Оптическая скамья.

2. Лазер.

3. Бипризма Френеля.

4. Линзы.

5. Отражающий экран.

1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ

Из опыта известно, что если на некоторую поверхность падает свет от двух источников (например, от двух ламп накаливания), то освещенность этой поверхности складывается из освещенностей, создаваемых каждым источником в отдельности. Освещенность поверхности определяется величиной светового потока, приходящегося на единицу площади, следовательно, суммарный световой поток, падающий, в рассматриваемом случае на любой элемент поверхности, равен сумме потоков от каждого из источников. Такого рода наблюдения привели к открытию закона независимости световых пучков.

Однако ситуация принципиально изменяется, если поверхность освещается двумя световыми волнами, испускаемыми одним и тем же точечным источником, но проходящими до места встречи различные пути. В этом случае, как показывает опыт, отдельные участки поверхности будут освещены очень слабо; световые волны, накладываясь, гасят друг друга. Освещенность же других участков, на которых накладывающиеся волны усиливают друг друга, будет существенно превосходить удвоенную освещенность, которую могла бы создать одна из этих волн.

Таким образом, на поверхности будет наблюдаться картина чередующихся максимумов и минимумов освещенности, которую называют интерференционной картиной (рис.1).

Появление такой картины при наложении световых волн носит название интерференции света. Необходимым условием интерференции волн является когерентность, т.е. равенство их частот и постоянство во времени разности фаз. Два независимых источника света, например, две электрические лампочки, создают некогерентные волны и не образуют интерференционную картину. Существуют различные методы, позволяющие искусственно создавать когерентные волны и наблюдать интерференцию света. Рассмотрим некоторые из них.

Рис. 1.

1.1. Метод Юнга

Первым экспериментом, позволившим произвести количественный анализ явления интерференции, был опыт Юнга, поставленный в 1802 году.

Представим себе очень малый источник монохроматического света о (рис.2), освещающий два столь же малых и близко расположенных друг от друга отверстия и в экране А.

По принципу Гюйгенса эти отверстия можно рассматривать как самостоятельные источники вторичных сферических волн. Если точки и расположены на одинаковых расстояниях от источника света S, то фазы колебаний в этих точках будут одинаковы (волны когерентны), а в какой-либо точке Р второго экрана В, куда будут приходить световые волны от и , разность фаз, накладывающихся друг на друга колебаний, будет зависеть от разности , Носящей название разности хода.

При разности хода, равной четному числу полуволн, фазы колебаний будут отличатся на величину кратную 2π, и световые волны при наложении в точке Р будут усиливать друг друга, точка Р экрана будет больше освещена, чем соседние точкина прямой ОР.

Условие максимальной освещенности точки Р можно записать в виде:

(1)

где К=1,2,3,4…

Если же разность хода будет равна нечетному числу полуволн, то в точке Р колебания, распространяющееся от и , будут друг друга гасить, и эта точка освещена не будет. Условие минимальной освещенности точки

Те же точки экрана В, разность хода до которых удовлетворяет условию

(3)

будут освещены, но их освещенность будет меньше максимальной. Поэтому наблюдаемая на экране интерференционная картина представляет собой систему полос, в пределах которой освещенность при переходе от светлой полосы к темной изменяется плавно по синусоидальному закону

Для точки О экрана, равноудаленной от источников и , разность хода лучей и равна нулю, т.е. в результате интерференции эта точка будет максимально освещена (максимум нулевого порядка).

Определим расстояние до тех точек , в которых будут наблюдаться следующие интерференционные максимумы, т.е. определим .

Из прямоугольных треугольников и имеем (по теореме Пифагора):

(4)

Вычитая почленно получим

Перепишем это равенство в виде

(5)

Полагая, что расстояние между источниками много меньше расстояния от источников до экрана , можно считать, что

(6)

Тогда равенство (5) примет вид

(7)

В свою очередь , тогда , откуда

(8)

И наконец, расстояние до точек, в которых наблюдаются максимумы, найдем из условий (1) и (8)

откуда (9)

Следовательно, первая максимально освещенная линия будет расположена на расстоянии начиная от середины экрана:

Вторая линия с максимальной освещенностью будет располагаться на расстоянии

и т.д.

Расстояние до точек, где наблюдаются минимумы (темные линии), получим из условия

Откуда

где = 0,1,2,3...

Период интерференционной картины, т.е. расстояние между ближайшими линиями одинаковой освещенности (например, максимальной или минимальной), как следует из (9) или (10), равен

При освещении отверстий и белым (полихроматическим) светом на экране получаются цветные полосы, а не темные и светлые как в описанном опыте.