- •Глава IV интерференция света
- •§ 1. Понятие о когерентности
- •§ 2. Интерференция волн
- •§ 3. Осуществление когерентных волн в оптике
- •§ 4. Цвета тонких пластинок
- •§ 5. Кольца Ньютона
- •§ 6. Интерференция в плоскопараллельных пластинках. Полосы равного наклона
- •§ 7. Интерферометр Майкельсона
- •§ 8. Интерференция немонохроматических световых пучков
§ 6. Интерференция в плоскопараллельных пластинках. Полосы равного наклона
Из соотношения Δ = 2hn cos r следует, что для плоскопараллельной однородной пластинки (h и п всюду одни и те же) разность хода может меняться только при изменении угла наклона лучей. Если эту пластинку осветить монохроматическим пучком лучей, падающих на нее под разными углами (например, сходящимся пучком), то каждому значению r будет соответствовать своя разность хода. Очевидно, что все лучи, соответствующие одному и тому же значению r, т. е. имеющие одинаковый наклон, будут давать одну и ту же разность фаз. Таким образом, интерференционные максимумы или минимумы будут располагаться по направлениям, соответствующим одинаковому наклону лучей.
Р ис. 6.1 показывает, что лучи 1 и 2, отразившиеся от верхней и нижней граней будут параллельны друг другу, ибо пластинка плоскопараллельна. В соответствии с этим явления интерференции будут наблюдаться только на достаточно большом расстоянии от пластинки (теоретически для идеальной пластинки – в бесконечности. Для их наблюдения необходимо аккомодировать глаз на бесконечность или же собрать интерферирующие лучи при помощи линзы.
Параллельные пучки 1 и 2 соединятся в фокусе О линзы L; в то же место придут и всякие другие лучи, параллельные SA. Поэтому интерференционные полосы будут локализованы в бесконечности. Лучи S'А', наклоненные под иным углом, соберутся в другой точке в фокальной плоскости линзы.
Конфигурация интерференционных полос в фокальной плоскости линзы определяется в этом случае набором углов в световых пучках, падающих на плоскопараллельпую пластинку. Если на пластинку падает световой конус с осью, нормальной к пластинке, равномерно заполненный светом (таким будет световой пучок от протяженного источника света), то в фокальной плоскости линзы интерференционные полосы будут иметь форму колец. Каждое кольцо будет соответствовать определенному значению угла преломления r и, следовательно, определенному углу падения, световых лучей на стеклянную пластину. Кольцеобразная форма интерференционных полос в фокальной плоскости объектива будет определяться тем, что каждому значению угла раствора i светового конуса будет соответствовать набор разных азимутов (от 0 до 2π ) световых лучей, формирующих боковую поверхность этого светового конуса. Описанные интерференционные полосы получили название интерференционных полос равного наклона.
§ 7. Интерферометр Майкельсона
Рассмотрим вначале подробнее одну схему, на которой очень отчетливо выступают все наиболее существенные детали интерференционной схемы.
Э та схема, известная под названием билинзы Бийе, осуществляется с помощью линзы, разрезанной по диаметру; обе половины слегка разводятся, благодаря чему получаются два действительных изображения S1 и S2 светящейся точки S. Прорезь между полулинзами закрывается экраном К (рис. 7.1).
Интерференция наблюдается в области, где перекрываются оба световых потока, идущих от S1 и S2. Точка М интерференционного поля имеет освещенность, зависящую от разности хода двух интерферирующих лучей. На этой схеме ясно видно, что интерферирующие световые потоки задаются размерами телесных углов Ω, величина которых зависит от угла 2φ= между лучами, определяющими перекрывающиеся части пучков.
Этот угол 2φ мы назовем апертурой перекрывающихся пучков. Максимальное значение угла 2φ соответствует условию S1Q1 || S2Q2 и S1R1 || S2R2; при этом экран расположен в бесконечности. Обычно угол 2φ несколько меньше, ибо экран располагается на конечном расстоянии D, хотя и большом по сравнению с S1S2 Величина апертуры 2φ определяет собой угловые размеры поля интерференции, средняя освещенность которого зависит от яркости и угловых размеров изображений источника S1 и S2. Полный поток, проходящий через поле интерференции, пропорционален площади этого поля и, следовательно, углу 2φ. В интерференционном поле благодаря интерференции происходит перераспределение освещенности — образуются интерференционные полосы.
Угол 2ω между соответствующими лучами, идущими от S через каждую из двух ветвей интерферометра к М, представл яет собой угол раскрытия лучей, определяющий интерференционный эффект в точке М. Практически то же значение имеет этот угол и для любой другой точки интерференционного поля. Этот угол мы будем называть апертурой интерференции. Ему соответствует в поле интерференции угол схождения лучей 2ω, величина которого связана с углом 2ω правилами построения изображений. При неизменном расстоянии до экрана 2ω тем больше, чем больше 2ω.
Существуют весьма многочисленные устройства, осуществляющие расположения, необходимые для получения интерференционных картин. Одним из приборов такого рода является интерферометр Майкельсона, сыгравший громадную роль в истории пауки.
Основная схема интерферометра Майкельсона изображена на рис. 7.2. Пучок от источника L. падает па пластинку P1, покрытую тонким слоем серебра или алюминия. Луч АВ, прошедший через пластинку P2 отражается от зеркала S1, и, попадая опять па пластинку P1 частично проходит через нее, а частично отражается по направлению АО. Луч AC отражается от зеркала S2, и, попадая па пластинку P1, частично проходит также по направлению АО. Так как обе волны 1 и 2, распространяющиеся по направлению АО, представляют собой расчлененную волну, исходящую из источника L, то они когерентны между собой и могут интерферировать друг с другом. Так как луч 2 пересекает пластинку P1 три раза, а луч 1 — один раз, то на его пути поставлена пластинка P2, идентичная Р1; чтобы скомпенсировать добавочную разность хода, существенную при работе с белым светом.
Наблюдаемая интерференционная картина будет, очевидно, соответствовать интерференции в воздушном слое, образованном зеркалом S2 и мнимым изображением S1' зеркала S1 в пластинке Р1. Если S1, и S2 расположены так, что упомянутый воздушный слой плоскопараллелен, то получающаяся интерференционная картина представится полосами равного наклона (круговыми кольцами), локализованными в бесконечности, и следовательно, наблюдение их возможно глазом, аккомодированным на бесконечность (или трубой, установленной на бесконечность, или на экране, расположенном в фокальной плоскости линзы).
Конечно, можно пользоваться и протяженным источником света. При малой толщине воздушного слоя в поле зрения зрительной трубы наблюдаются редкие интерференционные кольца большого диаметра. При большой толщине воздушного слоя, т. е. большой разности длин плеч интерферометра, наблюдаются частые интерференционные кольца малого диаметра уже около центра картины. Угловой диаметр колец в зависимости от разности длин плеч интерферометра и порядка интерференции определяется из соотношения 2d соsr = mλ . Очевидно, что перемещение зеркала на четверть длины волны будет соответствовать при малых значениях угла r переходу в поле зрения светлого кольца на место темного, и наоборот, темного на место светлого.
Передвижение зеркала осуществляется при помощи микрометрического винта, перемещающего зеркало на специальных салазках. Так как в больших интерферометрах Майкельсона перемещение зеркала параллельно самому себе должно происходить на несколько десятков сантиметров, то понятно, что механические качества этого прибора должны быть исключительно высоки.
Для придания зеркалам правильного положения они снабжены установочными винтами. Нередко зеркала устанавливают таким образом, что эквивалентный воздушный слой имеет вид клина. В таком случае наблюдаются интерференционные полосы равной толщины, располагающиеся параллельно ребру воздушного клина .
При больших расстояниях между зеркалами разность хода между интерферирующими лучами может достигать огромных значений (свыше 106 λ ), так что будут наблюдаться полосы миллионного порядка.
Понятно, что в этом случае необходимы источники света очень высокой степени монохроматичности.