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.