Применение интерференции света.

А. Просветленная оптика.

При прохождении света через линзы или призмы происходит частичное отражение светового потока на каждой поверхности. Это приводит к тому, что в современных сложных оптических системах, содержащих большое количество линз, проходящий световой поток может значительно уменьшаться (в некоторых случаях до 50%). Кроме того, отражение света от поверхностей линз создает блики.

Для устранения этих дефектов оптических систем группой сотрудников Государственного оптического института под руководством академика И.В. Гребенщикова был разработан метод “просветления оптики”. Сущность его заключается в том, что оптические поверхности накрываются тонкими пленками, создающими интерференционные явления.

Пусть на поверхность линзы, имеющей показатель преломления n0, нанесена тонкая пленка диэлектрика с показателем преломления n и толщиной d. Луч 1 частично отражается от верхней границы пленки, а луч 2 частично отражается от нижней границы.

При этом оптическая разность хода лучей равна:

 = L₂ – L₁,

где ,

а ,

где получается из-за отражения от более плотной среды, т.к. n₀ > n.

Тогда:

Наибольшее ослабление отраженных от пленки волн будет при выполнении условия:

Сравнивая две последние формулы, получим:

,

откуда .

Минимальная толщина пленки определяется из условия m = 0:

Наибольшее ослабление отраженных от пленки волн (наибольшее просветляющее действие) будет происходить тогда, когда амплитуды их близки по величине. Это выполняется при условии .

Так как показатели преломления n и n₀ зависят от длины волны (имеет место дисперсия света), то приведенное соотношение выполняется лишь в некотором спектральном интервале. Обычно просветление оптики осуществляют для средней (желто-зеленой) области видимого спектра, тогда как для краев спектра коэффициент отражения отличен от нуля. Именно поэтому объективы с просветленной оптикой в отраженном свете имеют характерный цвет, соответствующий смешению красного и фиолетового цветов.

Б. Интерферометры.

Интерферометр – измерительный прибор, основанный на интерференции волн. Оптические интерферометры применяются для измерения оптических длин волн спектральных линий, показателей преломления природных сред, абсолютных и относительных длин объектов, угловых размеров звезд, для контроля качества оптических деталей и их поверхностей и т.д.

Принцип действия всех интерферометров одинаков и различаются они лишь методом получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе и наблюдается результат их интерференции.

Одна из возможных схем получения интерференционной картины с помощью лазера изображена на рисунке. На экране В складываются две волны: от поверхности полупрозрачного зеркала А, другая – прошедшая через полупрозрачное зеркало и отраженная от зеркала С, которое расположено за полупрозрачным. Очевидно, что обе эти волны имеют одну и ту же частоту лазерного излучения, кроме того (поскольку они испускаются одним и тем же источником) разность их фаз не меняется со временем.

При наложении волн разность фаз будет зависеть от разности расстояний x1 и x2, проходимых волнами от места их разделения (на рисунке – от полупрозрачного зеркала А) до места встречи на экране В. В тех местах экрана, где складываются волны, приходящие в фазе (или разность оптических путей ) они усиливают друг друга, где в противофазе (или разность оптических путей ) – они ослабляют друг друга.

Но расстояние х₂ можно изменить, например, несколько сместив отражающее зеркало С. Тогда изменится (“сдвинется”) и картинка максимумов и минимумов интерференции на экране.

На этом эффекте основана работа лазерных интерферометров, используемых для регистрации и измерения малых перемещения. Если отражающее зеркало закрепить, например, на стенке тоннеля, то достаточно небольших подвижек грунта, как это отразится на распределении максимумов и минимумов интерференционной картины. Отслеживая изменения такой картины, можно сделать вывод о возникновении нежелательных постоянных деформаций стенок тоннеля, то есть о необходимости его ремонта. Подобные интерферометры используются на железных дорогах страны.

Широкое практическое применение получили при проведении изыскательных работ на железной дороге свето- и радиодальномеры. С их помощью измеряют расстояние между различными точками намечаемой трассы. Устройство дальномеров основано также на сравнении фаз двух накладываемых друг на друга электромагнитных волн, но без наблюдения интерференционной картины. В этом случае источник (он же приемник) электромагнитных волн испускает модулированную по амплитуде волну, которая, отражаясь от установленного на измеряемом расстоянии специального отражателя, возвращается обратно к источнику. Определяя разность фаз испущенных и отраженных волн, получают результаты измерений с точностью до 1мм. Поскольку в радиодальномере используются более длинноволновое электромагнитное излучение, которое хорошо огибает препятствия, то эти приборы эффективно работают и в дождь, туман, снегопад и даже при наличии растительности. Поэтому не приходится рубить специальную просеку при прокладке трассы.

В. Объяснение цветов тонких пленок.

Опираясь на сказанное в пре­дыдущем, мы можем соста­вить себе отчетливое представление о происхождении цветов тонких плёнок. При освещении прозрачной пленки часть световой волны отражается от передней поверхности, часть от задней, благодаря чему встречаются волны с неко­торой разностью хода. Нетрудно видеть (см. рис.), что эта разность хода зависит от толщины пленки, определяющей длину пути волны внутри пленки. В тех местах пленки, где эта разность хода достигает четного числа полуволн, обе части волны взаимно усиливают друг друга (максимум), там же, где разность хода выражается нечетным числом полуволн, имеет место взаим­ное ослабление (минимум). Так как

пленка в разных местах может иметь разную толщину, то области максимумов и минимумов дают на ее поверхности рисунок темных и светлых мест, если опыт производится в однородном цвете, или рисунок разноцветных полос, если применяется белый свет. Для наблюдения этого интер­ференционного рисунка надо рассматривать поверхность пленки, т.е. аккомодировать глаз на ее поверхность. Рисунок интерференционных полос в подобных опытах показывает, каким образом распределены области одинаковой толщины в пленке, и позволяет в известной мере судить о виде пленки.

Постепенно меняя угол наблюдения, мы переходим от минимума к макси­муму, затем к следующему минимуму и т.д. Расстояние между соседними мак­симумами или минимумами одного цвета определяет ширину цветной по­лосы. Чем толще пленка, тем меньше должно быть изменение угла, чтобы раз­ность хода возросла на лишнюю волну, т. е. чтобы от одного минимума перейти к следующему. Таким образом, чем толще пленка, тем уже цветные полосы. Это рассуждение объясняет, почему интерференция легко наблюдается лишь при очень тонких пленках. Для наблюдения же интерфе­ренции в толстых пленках необходимо прибегнуть к освещению очень одно­родным светом. Действительно, если свет неоднороден, то картина состоит из ряда цветных полос, примыкающих друг к другу. В случае толстых пленок эти полосы очень узки, так что максимум какой-либо полосы может прийти на минимум соседней, близкой к ней по цвету. Таким образом, макси­мумы и минимумы близких (неразличимых) по цвету полос перекрываются, и интерференционная картина оказывается смазанной.

Так, в случае белого света интерференционная картина смазывается уже при толщине пленки в несколько тысячных долей миллиметра.