§92. Практичне застосування інтерференції світла

Явище інтерференції світла використовують для створення різних оптичних приладів, за допомогою яких можна виконувати такі операції:

• вимірювати довжини світлової хвилі з великою точністю;

• вимірювати лінійні розміри тіл і коефіцієнти лінійного розширення тіл;

• визначити якість і точність шліфування різних поверхонь;

• вимірювати показники заломлення газоподібних, рідких і твердих тіл;

• вимірювати кутові розміри небесних тіл;

• вивчати і контролювати однорідність речовин;

• вивчати структури спектрів різних речовин;

• досліджувати ударні хвилі у газах.

За допомогою явища інтерференції можна виготовляти інтерференційні світлофільтри і вдається значно зменшити від­бивання світла від оптичних систем.

Розглянемо більш детально деякі практичні застосування явища інтерферен­ції.

О. Смакула розробив спосіб прос­вітлення оптики для зменшення втрат світла, зумовлених його відбиванням на межі поділу двох середовищ, оскільки проход­ження світла через кожну заломну поверхню лінзи супроводжується відбиттям падаючого потоку світла. У складних об’єктивах число відбивань велике і сумарна втрата світлового потоку досить значна, що приводить до зменшення світлосили оптичних приладів. Крім того, відбивання від поверхні лінз приводить до виникнення бліків.

Щоб елементи оптичних систем зробити просвітленими, їх поверхні покривають прозорими плівками речовин, показ­ник заломлення яких менший, ніж скла.

П ри відбиванні світла від межі поділу повітря – плівка і плівка-скло виникає інтерференція когерентних хвиль і (рис. 216). Товщину плівки d і показники заломлення скла і плівки n можна підібрати так, щоб хвилі, які інтерферують, гасили одна одну. Для цього їх амплітуди повинні бути рівні, а оптична різниця ходу

.

Розрахунки показують, що амплітуди відбитих хвиль рівні, якщо .

Речовину плівки підбирають так, щоб виконувалась умова , де - показник заломлення повітря. Втрата півхвилі в цьому випадку відбувається на обох поверхнях. Умова мінімуму при куті падіння i=0 має такий вигляд

.

Для мінімальної товщини плівки m=0, і тоді

.

Ця формула показує, що неможливо добитися одночасного гасіння для всіх довжин хвиль видимого спектра. Тому ця умова повинна виконуватись для довжини хвиль , яка найбільше сприймається людським оком.

Отже, якщо і оптична товщина плівки дорівнює , то в результаті інтерференції спостерігається гасіння відбитих хвиль.

Явище інтерференції використовують у ряді дуже точних вимірювальних приладів, які називають інтерферометрами.

Розглянемо схему інтерферометра Жамена, який застосовують для точних вимірювань показників заломлення газів і їх залежності від температури, тиску і вологості (рис. 217).

Дві зовсім однакові скляні товсті плоскопаралельні пластини та установлені майже паралельно одна до одної. Поверхні AB і CD – дзеркальні. Промені світла довжиною від монохроматичного джерела S падають на поверхню пластини А під різними кутами і, близькими до . На рисунку показано лише один падаючий промінь. Внаслідок його відбивання від поверхонь AB і пластини з неї виходять дві когерентні паралельні хвилі 1 і 2. Пройшовши крізь дві цілком однакові закриті скляні кювети і довжиною l, ці хвилі відбиваються поверхнями CD і пластини . В результаті виникають чотири промені і , і з яких промені і накладаються один на одного і інтерферують.

Інтерференційні смуги однакового нахилу розглядають за допомогою окуляра.

Якщо одну з кювет заповнено газом з відомим показником заломлення n, а другу – газом з показником заломлення , який треба виміряти, то оптична різниця ходу між інтерферуючими хвилями . Якщо ця різниця ходу то вся інтерференційна картина зміститься на m смуг. Визначивши m, мож­на знайти показник заломлення :

.

Внаслідок великої чутливості інтерферометра, його використовують для вимірювання показників заломлення газів, що мало відрізняються від одиниці.

Розглянемо спрощену схему інтерферометра Майкельсона (рис. 218).

Монохроматичне світло від джерела S падає під кутом на плоскопаралельну пластинку . Сторона пластинки AB, яка посріблена і напівпрозора, розділяє промінь на дві частини: промінь 1, який відбивається від посрібленого шару і промінь 2, що проходить крізь нього. Промінь 1 відбивається від дзеркала і повертається назад, знову проходить через пластинку . Промінь 2 поширюється до дзеркала , відбивається від нього, повертається назад і відбивається від пластинки . Оскільки промінь 1 проходить пластину двічі, то для компенсації різниці ходу, яка виникає на шляху другого променя, ставиться пластинка , яку називають компенсатором.

Дзеркала і розміщують перпендикулярно одне до одного. Одне з них може переміщатися за допомогою мікрометричних гвинтів паралельно само до себе.

Хвилі і - когерентні; отже, за допомогою зорової труби буде спостерігатися інтерференційна картина. Оптична різниця хвиль і , де – абсолютний показник заломлення повітря, а і - відстані від точки О до дзеркал і .

Якщо , то буде інтерференційний максимум. Переміщення одного з дзеркал на відстань приводить до виникнення інтерференційного мінімуму. Отже, за зміною інтерференційної картини можна зробити висновки про малі переміщення одного з дзеркал і тим самим використати інтерферометр Майкельсона для точних вимірювань довжини світлової хвилі, довжини тіла, зміни довжини тіла при зміні температури Похибки при вимірюванні довжини .

Інтерферометр Майкельсона можна використати для знаходження незначних змін показника заломлення прозорих тіл залежно від тиску, температури, домішок. Такий інтерферометр називається інтерференційним рефрактометром.

В.П. Лінник використав принцип дії інтерферометра Майкельсона для створення мікроінтерферометра – високочутливого приладу, який використовується для контролю чистоти обробки поверхонь металевих виробів. Світло від джерела S падає на скляний кубик А (рис. 219), який складається з двох половин, склеєних по діагональній площині.

Одну із спостережуваних поверхонь напівпосріблено так, що вона частково пропускає, а частково відбиває промені, які падають на неї. Промінь 1, який пройшов через кубик, попадає на дзеркало , відбивається і, пройшовши знову через кубик, йде в мікроскоп M. Промінь 2 відбивається від напівпрозорої площини, падає на поверхню BC, яка досліджується, відбивається від неї і проходить через кубик в мікроскоп. Дзеркало нахилено під невеликим кутом . Зав­дяки цьому при ідеальній гладкій поверхні BC в полі зору мікроскопа видно інтерференційні смуги однакової товщини повітряного проміжку між кубиком і дзеркалом. У тих місцях поверхні ВС, де є виступи або заглибини, інтерференційні смуги викривлятимуться. За допомогою цього приладу можна виявити штрихи на поверхні деталі, глибина яких дорівнює .