Интерференция света.

Общая физика
Лектор: Толмачева Нелла
Дмитриевна
Сегодня: суббота, 7 мая 2016 г.
ОПТИКА
Сегодня: суббота, 7 мая 2016 г.
Лекция
Тема: Интерференция
Содержание лекции:
1. Введение в оптику
2. Принцип Гюйгенса
3. Интерференция света
Сегодня: суббота, 7 мая 2016 г.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
ЛЕКЦИЯ №2
1 Развитие взглядов на природу света
2 Интерференция световых волн
3 Опыт Юнга
4 Методы наблюдения интерференции
5 Интерференция в тонких пленках
6 Применение интерференции света
Оптика – (от греч. optike – наука о зрительных
восприятиях) – раздел физики, в котором изучаются
оптическое излучение (свет), его распространение и
явления, наблюдаемые при взаимодействии света и
вещества.
Оптическое
излучение
представляет
собой
электромагнитные волны, и поэтому оптика – часть
общего учения об электромагнитном поле.
По традиции оптику принято подразделять
на
• геометрическую,
•физическую
•физиологическую.
Наибольшее значение геометрическая оптика
имеет для расчета и конструирования оптических
приборов
–
объективов
от
очковых
и
огромных
линз
до
сложных
астрономических
инструментов.
Физическая
связанные
оптика
с
рассматривает
процессами
проблемы,
испускания
природой света и световых явлений.
света,
Двойственность природы света – наличие у него
одновременно характерных черт, присущих и
волнам, и частицам, – является частным случаем
корпускулярно-волнового дуализма.
Практические применения.
• Задачи
рационального освещения улиц,
помещений, рабочих мест на производстве,
зрелищ, исторических и архитектурных
памятников и пр. решаются светотехникой на
основе законов оптики.
• Методы
спектрального
анализа
и
люминесцентного анализа
•Поляризационно-оптический
метод
исследования напряжений, возникающих в
твердых телах
Чрезвычайно широка сфера практических
применений
фотоэлектронных
приборов,
основанных на квантовых оптических явлениях, –
фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей,
фотодиодов,
фотосопротивлений,
электроннооптических
преобразователей,
передающих
телевизионных трубок и т.д.
Фотоэлементы используются
как устройства,
преобразующие лучистую энергию Солнца и
электрическую энергию (солнечные батареи).
Фотоэлементы используются
как устройства,
преобразующие лучистую энергию Солнца
электрическую энергию (солнечные батареи).
и
Фотохимическое действие света лежит в основе
фотографии и изучается в специальной области,
пограничной между
фотохимии. синтеза.
Успехи
оптики
оптоэлектроники.
химией
и
стимулировали
оптикой,
–
развитие
Физиологическая оптика изучает строение и
функционирование всего аппарата зрения – от глаза
до коры мозга; разрабатывается теория зрения,
восприятия света и цвета.
Результаты
физиологической
оптики
используются в медицине, физиологии, технике при
разработке разнообразных устройств – от
осветительных приборов и очков до цветного кино
и телевидения.
Интерференция света
Волновые свойства света наиболее отчетливо
обнаруживают себя в интерференции и
дифракции.
Пусть
две
волны
одинаковой
частоты,
накладываясь друг на друга, возбуждают в
некоторой
точке
пространства
колебания
одинакового направления.
x1  A1 cos( ωt  φ1 )
x2  A2 cos( ωt  φ 2 )
Амплитуда результирующего колебания при
сложении колебаний направленных вдоль одной
прямой
A 
2
2
A1

2
A2
 2 A1 A2сos( φ 2  φ1 )
Если
разность
фаз
колебаний
возбужденных волнами в некоторой точке
пространства остается постоянной во
времени, то такие волны называются
когерентными.
В случае некогерентных волн разность фаз
φ 2  φ1
непрерывно изменяется.
Для
некогерентных
источников
интенсивность результирующей волны
всюду одинакова
Некогерентность естественных источников света
обусловлена тем, что излучение тела слагается из
волн, испускаемыми многими атомами.
Фазы каждого цуга волны никак не связаны
друг с другом. Атомы излучают хаотически.
Периодическая последовательность горбов и
впадин волны и образующиеся в процессе акта
излучения одного атома, называется цугом волн
или волновым цугом.
Процесс излучения одного атома длится примерно
8
10 с. При этом, длина цуга
8
l  ct  3  10  10  3 м
7
В одном цуге укладывается примерно 10 длин волн.
8
Условие максимума и минимума интерференции
Первая волна

s1 
x1  A1 cosω t  
υ1 

вторая
 s2 
x2  A2 cos ω t  
 υ2 
Рисунок 7.3
2π
Разность фаз двух когерентных волн - δ 
Δ
Δ  n2 s2  n1s1  L2  L1
– оптическая разность хода,
L – оптическая длина пути.
λ0
D opt

(2m+1) /
2

Dopt

 (2m) /
2
Интерференцией света объясняется:
окраска тонких масляных пленок на поверхности
воды, металлический отлив в окраске крыльев
насекомых и птиц, появление цветов побежалости
на поверхности металлов, голубоватый цвет
просветленных линз оптических приборов и пр.
Некоторые
явления
интерференции
света
исследовались еще Ньютоном в XVII в., но не
могли быть им объяснены с точки зрения его
корпускулярной теории.
Правильное объяснение интерференции света, как
типично волнового явления, было дано в начале
XIX в. Юнгом и Френелем.
Принцип Гюйгенса
Каждая точка, до которой
доходит
световое
возбуждение,
является в свою очередь центром
вторичных
волн;
поверхность,
огибающая в некоторый момент
времени
эти
вторичные
волны,
указывает положение к этому моменту
фронта
действительно
распространяющейся волны.
Рис. 2. Принцип Гюйгенса-Френеля  каждый элемент
волновой поверхности dS служит источником вторичной
сферической волны и эти источники когерентны
Гюйгенс Христиан (1629 – 1695),
нидерландский ученый. В 1665 – 81 гг.
работал в Париже. Изобрел (1657 г.)
маятниковые часы со спусковым
механизмом, дал их теорию, установил
законы
колебаний
физического
маятника.
Опубликовал в 1690 г. созданную им в 1678 г.
волновую теорию света, объяснил двойное
лучепреломление. Усовершенствовал телескоп;
сконструировал окуляр, названный его именем.
Открыл кольцо у Сатурна и его спутник Титан.
Автор одного из первых трудов по
теории
вероятностей (1657 г.).
2.3.2. Опыт Юнга
Образование интерференционной картины
опытах Юнга (рис. 3).
Рис. 3. Наблюдение интерференции света в опыте Юнга по
методу деления волнового фронта
в
7.3 Опыт Юнга
Главный максимум, соответствующий m  0
проходит через точку О.
Вверх и вниз от него
располагаются максимумы (минимумы) первого
(m  1 ), второго ( m  2 ) порядков, и т. д.
d 2  2
d 2
 2
S 2  S   l  (x  )    l  (x  ) 
2  
2 

2
2
S 2  S 1  2 xd
2
2
1
2 xd
D  S2  S1 
2l
D  m
Максимумы
интенсивности
наблюдаться в координатах:
xmax
l
 
d
(m = 0, 1, 2, …),
max
будут
а минимумы – в координатах:
xmin
1 l
 (m  ) λ 0
2 d
Расстояние между двумя соседними максимумами
(или минимумами) равно
l
Δx  λ 0
d
- ширина интерференционной полосы.
змеривΔx , зная l и d, можно вычислить длину волны λ. Именно
так вычисляют длины волн разных цветов в спектроскопии.
Зеркала Френеля
Другой интерференционный опыт, аналогичный
опыту Юнга, был осуществлен Френелем в 1816 г.
Две когерентные световые волны получались в
результате отражения от двух зеркал, плоскости
которых наклонены под небольшим углом d друг к
другу (рис. 4).
Рис. 4. Зеркала Френеля
Бипризма Френеля
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. 5)
Здесь образуются два близких мнимых
изображения S1 и S2 источника S, так как каждая
половина бипризмы отклоняет лучи на небольшой
угол (n - 1)b.
Рис. 5. Бипризма Френеля
Интерференция в тонких пленках
Интерференцию света по методу деления
амплитуды во многих отношениях наблюдать
проще, чем в опытах с делением волнового
фронта. Один из способов, использующих такой
метод – опыт Поля.
Опыт Поля
Интерференция в тонких пленках
Интерференционные полосы равного наклона
Рисунок 7.10

D   AB  BC  n  AD 
2
2 AB  2n h cos 

D  2h n  sin ()   m
2
2
2
max

Кольца Ньютона
Кольцевые полосы
равной толщины,
наблюдаемые
в
воздушном зазоре
между
соприкасающимися
выпуклой
сферической поверхностью линзы малой
кривизны и плоской поверхностью стекла,
называют кольцами Ньютона.
Ньютон объяснил это явление на основе корпускулярной теории света.
Кольца Ньютона
2
r
hR R r 
2R
2
2

D  2h 
2

D  (2m  1)
2
rm  mRλ
min
радиус m-го темного кольца
2.6. Интерферометры.
Интерферометр Майкельсона
Интерферометрами называют оптические приборы,
действие которых основано на явлении интерференции
света.
Они предназначены для точных измерений длин,
углов, характеристик оптических поверхностей,
показателей преломления сред или их изменений,
спектрального состава исследуемого излучения и т.п.
Наблюдение интерференционных полос при этом
становится не целью исследования, а средством
проведения измерений. В зависимости от характера
решаемой задачи к оптической схеме интерферометра и
его конструкции предъявляются различные требования.
Полосы равной толщины можно наблюдать и с
помощью разных интерферометров, например
интерферометра Майкельсона, если одно из
зеркал з1 или з2 отклонить
на небольшой угол
Рисунок 7.11
Схема интерферометра Рэлея
Схема интерферометра Жамена
Схема интерферометра Рождественского
Итак:
•
полосы равного наклона получаются при
освещении пластинки постоянной толщины
(b  const) рассеянным светом в котором
содержаться лучи разных направлений.
•
полосы равной толщины наблюдаются при
освещении пластинки переменной толщины
(клина) ( b  const) параллельным пучком света.
Лекция окончена
Нажмите клавишу <ESC> для выхода