какие способы наблюдения интерференции световых волн вы знаете

Какие способы наблюдения интерференции световых волн вы знаете

Образование интерференционной картины можно наблюдать в рассмотренном нами в п. 8.2 опыте Юнга, использующем метод деления волнового фронта (рис. 8.3).

Прошедший через узкую длинную щель S свет, вследствие дифракции образует расходящийся пучок, который падает на второй экран B с двумя, параллельными между собой узкими щелями S₁ и S₂, расположенными близко друг к другу на равных расстояниях от S. Эти щели действуют как вторичные синфазные источники, и исходящие от них волны, перекрываясь, создают интерференционную картину, наблюдаемую на удаленном экране C. Расстояние между соседними полосами равно:

.

Измеряя ширину интерференционных полос, Юнг в 1802 г. впервые определил длины световых волн для разных цветов, хотя эти измерения и не были точными.

Другой интерференционный опыт, аналогичный опыту Юнга, но в меньшей степени осложненный явлениями дифракции и более светосильный, был осуществлен О. Френелем в 1816 г. Две когерентные световые волны получаются в результате отражения от двух зеркал М и N, плоскости которых наклонены под небольшим углом φ друг к другу (рис. 8.4).

.

В данном интерференционном опыте, также предложенном Френелем, для разделения исходной световой волны на две используют призму с углом при вершине, близким к 180°.

Источником света служит ярко освещенная узкая щель S, параллельная преломляющему ребру бипризмы (рис. 8.5).

Можно считать, что здесь образуются два близких мнимых изображения S₁ и S₂ источника S, так как каждая половина бипризмы отклоняет лучи на небольшой угол .

Аналогичное бипризме Френеля устройство, в котором роль когерентных источников играют действительные изображения ярко освещенной щели, получается, если собирающую линзу разрезать по диаметру и половинки немного раздвинуть (рис. 8.6).

Прорезь закрывается непрозрачным экраном А, а падающие на линзу лучи проходят через действительные изображения щели и и дальше перекрываются, образуя интерференционное поле.

Источник

4.4. Способы наблюдения интерференции света

Для получения интерференционной картины необходимы когерентные световые пучки, для формирования которых применяются различные искусственные приемы. До появления лазеров во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные пучки получали, как отмечалось выше, разделением и последующим сведением световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Практически это можно осуществить с помощью экранов со щелями, зеркал и преломляющих тел (призм). Обсудим некоторые из таких способов.

Метод Юнга

Источником света служит ярко освещенная щель S, от которой свет падает на две равноудаленные щели s₁, и s₂, параллельные щели S (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Метод Юнга наблюдения интерференции

Таким образом, щели S₁ и S₂ являются источниками когерентных пучков света. Когерентность, естественно, имеет место при условии, что расстояние между щелями и меньше радиуса когерентности света, выходящего из щели . Интерференционная картина может наблюдаться на экране Э, расположенном на некотором расстоянии от щелей.

Бизеркало Френеля

Классическим устройством, позволяющим наблюдать интерференцию света, является бизеркало Френеля (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Бизеркало Френеля

Свет, излучаемый источником S, отражается от двух зеркал, расположенных под углом, близким к 180° (угол достаточно мал). В результате получаются два световых пучка, которые распространяются от двух мнимых источников S₁ и S₂, излучения которых, при достаточно малом поперечном размере реального источника и достаточно малом угле , будут когерентными, так как они являются и изображениями одного и того же действительного источника S. При этом лучи, идущие от S₁ и S₂ к экрану, пройдя различные пути, дают интерференционную картину. (Непрозрачный экран Экр преграждает свету прямой путь от источника S к экрану Э.)

Бипризма Френеля

Бипризма Френеля представляет собой две одинаковые призмы с малым преломляющим углом, сложенные основаниями так, что образуется общая плоская грань (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Бипризма Френеля

Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются когерентные световые пучки, исходящие как бы из двух мнимых источников S₁ и S₂, как и в случае бизеркала Френеля. Таким образом, на экране происходит наложение когерентных световых пучков и наблюдается интерференционная картина. Выполнение условий когерентности, как и в предыдущих примерах, обеспечивается малыми поперечными размерами реального источника и малостью преломляющего угла бипризмы.

Источник

Методы наблюдения интерференции света. Применение интерференции

Урок 32. Физика 11 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Методы наблюдения интерференции света. Применение интерференции»

До появления лазеров во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные волны получали разделением и последующим сведением световых волн, представляющих части одной и той же волны, идущие от единственного источника и достигающие точки наблюдения разными путями.

Один из таких методов (мы с ним познакомились на прошлом уроке) был предложен Томасом Юнгом. Напомним, что в установке источником света служила ярко освещённая щель, от которой фронт волны падал на две узкие равноудалённые щели, параллельные первой. Таким образом, эти две щели играли роль когерентных источников.

Интерференционная картина наблюдалась на экране, расположенном параллельно щелям в области перекрытия волн. В центре картины была расположена светлая полоса, а по краям радужные полоски в случае белого света, или чередование тёмных и светлых полос в случае света монохроматического.

Второй способ наблюдения интерференции был предложен современником Юнга Огюстеном Френелем. В его установке свет от источника расходящимся пучком попадает на два плоских зеркала, расположенных друг от друга под углом, близким к 180°. Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими от источников, являющихся мнимыми изображениями источника света в зеркалах.

Мнимые источники когерентны, и исходящие из них световые лучи, встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрытия. Интерференционная картина наблюдается на экране, защищённом от прямого попадания света источника непрозрачным экраном.

На основе явления интерференции основан принцип действия специальных измерительных приборов — интерферометров.

Один из первых интерферометров, позволившим измерить длину волны света, был сконструирован американским физиком Альбертом Майкельсоном. Рассмотрим принцип его действия на упрощённой схеме. Итак, монохроматический луч света от источника, пройдя через узкую щель непрозрачного экрана, попадает на полупрозрачное зеркало, наклонённое под углом 45°, где разделяется на два луча.

На одинаковом расстоянии от зеркала установлены два плоских зеркала. Лучи света, отражаясь от этих зеркал, снова падают на полупрозрачное зеркало, частично отражаются, частично проникают сквозь него и попадают на экран (или в зрительную трубу). Так как первый луч проходит полупрозрачную пластинку дважды, то для компенсации возникшей разности хода на пути второго луча ставится ещё одна точная такая же пластинка, но только полностью прозрачная).

Лучи когерентны, следовательно, будет наблюдаться интерференция, результат которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зеркала М₁ и луча 1 от точки О до зеркала М₂. Следовательно, по незначительному смещению интерференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр для достаточно точных измерений длин волн и прочего.

Так, например, Майкельсон совместно с другим физиком Эдвардом Морли использовал свой интерферометр для того, чтобы «раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны».

Суть опыта достаточна проста. Так как мировой эфир действительно существует, то двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно него полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, а полгода — в другую.

Однако наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: «полный эфирный штиль!» А это говорило о том, что эфирного ветра и, как следствие, мирового эфира вообще, не существует. А электромагнитные волны действительно могут распространяться в вакууме.

Явление интерференции света также широко используется для оценки качества обработки поверхностей изделий с точностью до 10 –6 см. Для этого между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластинкой создаётся тонкая клиновидная прослойка воздуха. Неровности исследуемой поверхности вызывают заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света.

Но самый важный и наиболее частый способ применения интерференции (помимо измерения длин волн) — это просветление оптики.

Просветление оптики — это результат интерференции света, отражаемого от передних и задних границ просветляющих плёнок, в результате чего происходит взаимное «гашение» отражённых световых волн и, следовательно, усиление интенсивности проходящего света.

Зачем это нужно? Вот представьте себе стопку оконных стёкол или объектив фотоаппарата и ответьте себе на два простых вопроса:

— Много ли видно сквозь пять–семь сложенных стёкол?

— И какого цвета поверхность объектива?

Дело в том, что даже хорошо отполированная поверхность стекла отражает около 4 % перпендикулярно падающего на неё света. На это отражение от каждой поверхности тратится значительная часть энергии, что делает непрозрачными и стопку стёкол, и сложные оптические системы, так как сквозь прибор часто проходит лишь около 10—20 % падающего на него света.

Для уменьшения световых потерь на поверхность оптического стекла и наносят тонкую плёнку с абсолютным показателем преломления меньшим, чем абсолютный показатель преломления стекла. Для простоты понимания, рассмотрим ход луча, падающего на поверхность раздела под небольшим углом (близким к нулю). При отражении света от границ раздела «воздух — плёнка» и «плёнка — стекло» возникает интерференция когерентных волн. Толщину плёнки и её показатель преломления подбирают таким образом, чтобы интерферирующие волны гасили друг друга.

Запишем условие интерференционного минимума, считая, что свет падает практически нормально (α = 90 о ) и учитывая, что потеря полуволны происходит на обеих поверхностях (т. к. n_c > n_пл > n_возд):

Выразим из записанной формулы толщину плёнки учитывая, что мы рассматриваем центральный минимум:

В результате такого гашения отражённых волн происходит усиление волны, которая проходит в стекло.

Из-за того, что на поверхность стекла в основном падает белый свет, то гашение отражённых волн всех частот невозможно. Поэтому толщину плёнки подбирают так, чтобы полное гашение имело место для волн средней части спектра (а это примерно зелёный цвет). Гашение же красных и фиолетовых частей спектра происходит незначительно. В результате чего, например объектив с просветлённой оптикой в отражённом свете имеет сиреневатый оттенок.

На явлении интерференции основано и изготовление так называемых холодных и тёплых зеркал. Для этого используются диэлектрические плёнки с разными показателями преломления. Так на поверхность холодных зеркал наносят такую плёнку (или систему плёнок), чтобы от зеркала отражалось как можно больше световой энергии, а волны инфракрасного диапазона проходили сквозь него. Соответственно для тёплых зеркал всё наоборот.

Для закрепления нового материала давайте с вами решим задачу. Итак, на поверхность линзы из оптического стекла с показателем преломления 1,7 нанесена тонкая плёнка с показателем преломления 1,5. На линзу нормально к поверхности падает пучок монохроматического света с длиной волны 600 нм. Определите наименьшую толщину плёнки, при нанесении которой отражённый свет будет максимально ослаблен.

В заключение обратим ваше внимание на то, что отсутствие света в областях интерференционных минимумов не означает превращение световой энергии в другие формы. Как и при интерференции механических волн, отсутствие света в данной области пространства означает, что происходит перераспределение энергии, отражённых волн нет и весь свет проходит сквозь объектив.

Источник

Основные интерференционные схемы

Для интерференции света необходимым условием является получение когерентных световых пучков. В процессе его выполнения, свое применение находят различные приемы. До того времени, когда во всех приборах для наблюдения интерференции света появились лазеры, когерентные пучки получали с помощью разделения и последующего сведения световых лучей, испускаемым одним и тем же источником. На практике, это может быть осуществимо при помощи экранов и щелей, зеркал и преломляющих тел. Разберем некоторые из таких методов.

Метод Юнга и интерференция света

Зеркала Френеля

Бипризма Френеля

Пара изготовленных из одного куска стекла призм с мизерным преломляющим углом q обладают одной общей гранью и называются бипризмой Френеля (рис. 3 ).

Область, в которой волны накладываются друг на друга, носит название поля интерференции.

Во всей этой области наблюдается чередование мест с максимальной и минимальной интенсивностью света. Если в поле интерференции поместить экран, то на нем будет проявляться интерференционная картина, выражающаяся в виде чередования светлых и темных полос.

Определим оптическую разность хода между когерентными волнами, распространяющимися от источников S 1 и S 2 в приведенную точку M на экране. Точка M размещена на расстоянии x от центра интерференционной картины.

где L 2 = r 2 n и L 1 = r 1 n представляют собой оптические длины пути для первой и второй волн, а r 2 и r 1 – геометрические длины пути первой и второй волн.

Для случая треугольников S 1 А М и S 2 В М будет справедливой следующая запись:

Оптическая разность ход будет эквивалентна выражению:

Расстояние между двумя соседними максимумами (или минимумами), порядок m которых отличается на единицу, определяется как ширина интерференционной полосы.

Источник

Методы наблюдения интерференции света

Для осуществления интерференции света необходимо получить когерентные световые пучки, для чего применяются различные приемы. До появления лазеров (см. § 233) во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные пучки получали разделением и последующим сведением световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Практически это можно осуществить с помощью экранов и щелей, зеркал и преломляющих тел. Рассмотрим некоторые из этих методов.

1. Метод Юнга. Источником света служит ярко освещенная щель S(рис. 245), от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S₁ и S₂,параллельные щели S. Таким образом, щели S₁ и S₂играют роль когерентных источников.

Интерференционная картина (область ВС) наблюдается на экране (Э), расположенном на некотором расстоянии параллельно S₁ и S₂. Как уже указывалось (см. § 171), Т. Юнгу принадлежит первое наблюдение явления интерференции.

2. Зеркала Френеля. Свет от источника S (рис.246) падает расходящимся пучком на два плоских зеркала А₁О и А₂О,расположенных относительно друг друга под углом, лишь немного отличающимся от 180° (угол jмал). Используя правила построения изображения в плоских зеркалах, можно показать, что и источник, и его изображения S₁ и S₂(угловое расстояние между которыми равно 2j)лежат на одной и той же окружности радиуса r с центром в О(точка соприкосновения зеркал).

Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими из мнимых источников S₁ и S₂, являющихся мнимыми изображениями S в зеркалах.

Мнимые источники S₁ и S₂ взаимно когерентны, и исходящие из них световые пучки, встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрывания (на рис. 246 она заштрихована). Можно показать, что максимальный угол расхождения перекрывающихся пучков не может быть больше 2j. Интерференционная картина наблюдается на экране (Э), защищенном от прямого попадания света заслонкой (3).

3. Бипризма Френеля. Она состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с малыми преломляющими углами. Свет от источника S(рис. 247) преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых источников S₁ и S₂,являющихся когерентными. Таким образом, на поверхности экрана (в заштрихованной области) происходит наложение когерентных пучков и наблюдается интерференция.

Расчет интерференционной картины от двух источников. Расчет интерференционной картины для рассмотренных выше методов наблюдения интерференции света можно провести, используя две узкие параллельные щели, расположенные достаточно близко друг к другу (рис. 248).

Щели S₁ и S₂находятся на расстоянии dдруг от друга и являются когерентными (реальными или мнимыми изображениями источника Sв какой-то оптической системе) источниками света. Интерференция наблюдается в произвольной точке А экрана, параллельного обеим щелям и расположенного от них на расстоянии l, причем l≫d. Начало отсчета выбрано в точке О, симметричной относительно щелей.

Интенсивность в любой точке А экрана, лежащей на расстоянии х от О, определяется оптической разностью хода D = s₂ – s₁(см. § 172). Из рис. 248 имеем

Из условия l≫d следует, что s₁ + s₂ » 2l, поэтому

(173.1)

Подставив найденное значение D (173.1) в условия (172.2) и (172.3), получим, что максимумы интенсивности будут наблюдаться в случае, если

(173.2)

(173.3)

Расстояние между двумя соседними максимумами (или минимумами), называемое шириной интерференционной полосы, равно

(173.4)

Описанная картина, однако, справедлива лишь при освещении монохроматическим светом (l₀ = const). Если использовать белый свет, представляющий собой непрерывный набор длин волн от 0,39 мкм (фиолетовая граница спектра) до 0,75 мкм (красная граница спектра), то интерференционные максимумы для каждой длины волны будут, согласно формуле (173.4), смещены друг относительно друга и иметь вид радужных полос. Только для m = 0максимумы всех длин волн совпадают, и в середине экрана будет наблюдаться белая полоса, по обе стороны которой симметрично расположатся спектрально окрашенные полосы максимумов первого, второго порядков и т. д. (ближе к белой полосе будут находиться зоны фиолетового цвета, дальше — зоны красного цвета).

Дата добавления: 2015-02-13 ; просмотров: 677 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник