Кольца Ньютона. Кольца Ньютона, являющиеся классическим примером полос равной толщины, наблюдаются при отражении света от воздушного зазора

Кольца Ньютона, являющиеся классическим примером полос равной толщины, наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны (рис. 10). Параллельный пучок света падает нормально на плоскую поверхность линзы и частично отражается от верхней и нижней поверхностей воздушного зазора между линзой и пластинкой. При наложении отраженных лучей возникают полосы равной толщины, при нормальном падения света имеющие вид концентрических окружностей.

В отраженном свете оптическая разность хода (с учетом потери полуволны при отражении), согласно (1), при условии, что показатель преломления воздуха n =1, а i= 0,

где d— ширина зазора. Из рис. 10

Рис.10

следует, что , где R— радиус кривизны линзы, r — радиус кривизны окружности, всем точкам которой соответствует одинаковый зазор d. Учитывая, что d мало, получим d=r ²/(2 R). Следовательно,

(4)

Приравняв (4) к условиям максимума и минимума, получим выражения для радиусов m -го светлого кольца и m -го темного кольца соответственно

Измеряя радиусы соответствующих колец, можно (зная радиус кривизны линзы R) определить l ₀ и, наоборот, по известной l ₀ найти радиус кривизны R линзы.

Как для полос равного наклона, так и для полос равной толщины положение максимумов зависит от длины волны l ₀. Поэтому система светлых и темных полос получается только при освещении монохроматическим светом. При наблюдении в белом свете получается совокупность смещенных друг относительно друга полос, образованных лучами разных длин волн, и интерференционная картина приобретает радужную окраску. Все рассуждения были проведены для отраженного света. Интерференцию можно наблюдать и в проходящем свете, причем в данном случае не наблюдается потери полуволны. Следовательно, оптическая разность хода для проходящего и отраженного света отличается на l ₀/2, т.е. максимумам интерфере­нции в отраженном свете соответствуют минимумы в проходящем, и наоборот.

8. Применение интерференции света

Явление интерференции обусловлено волновой природой света; его количественные закономерности зависят от длины волны l ₀. Поэтому это явление применяется для подтверждения волновой природы света и для измерения длин волн (интерференционная спектроскопия).

Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высокоотражающих покрытий. Прохожде­ние света через каждую преломляющую поверхность линзы, например через границу стекло–воздух, сопровождается отражением»4% падающего потока (при показа­теле преломления стекла»1, 5). Так как современные объективы содержат большое количество линз, то число отражений в них велико, а поэтому велики и потери светового потока. Таким образом, интенсивность прошедшего света ослабляется и све­тосила оптического прибора уменьшается. Кроме того, отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов, что часто (например, в военной технике) демаскирует положение прибора.

Для устранения указанных недостатков осуществляют так называемое просветле­ние оптики. Для этого на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показа­телем преломления, меньшим, чем у материала линзы. При отражении света от границ раздела воздух–пленка и пленка–стекло возникает интерференция когерентных лучей 1 ' и 2 ' (рис. 11). Рис.11.

Толщину пленки d и показатели преломления стекла n _с и пленки n можно подобрать так, чтобы волны, отраженные от обеих поверхностей пленки, гасили друг друга. Для этого их амплитуды должны быть равны, а оптическая разность хода равна .

Расчет показывает, что амплитуды от­раженных лучей равны, если

(1)

Так как n _с, n и показатель преломления воздуха n ₀ удовлетворяют условиям n _с > n > n ₀, то потеря полуволны происходит на обеих поверхностях; следовательно, условие минимума (предполагаем, что свет падает нормально, т. е. i= 0)

где nd — оптическая толщина пленки. Обычно принимают m =0, тогда

Таким образом, если выполняется условие (1) и оптическая толщина плевки равна l ₀/4, то в результате интерференции наблюдается гашение отраженных лучей. Taк как добиться одновременного гашения для всех длин воли невозможно, то это обычно делается для наиболее восприимчивой глазом длины волны l ₀»0, 55 мкм. Поэтому объективы с просветленной оптикой имеют синевато-красный оттенок.

Создание высокоотражающих покрытий стало возможным лишь на основе многолучевой интерференции. В отличие от двухлучевой интерференции, которую мы рас­сматривали до сих пор, многолучевая интерференция возникает при наложении боль­шого числа когерентных световых пучков. Распределение интенсивности в интерферен­ционной картине существенно различается; интерференционные максимумы значитель­но уже и ярче, чем при наложении двух когерентных световых пучков. Так, резуль­тирующая амплитуда световых колебаний одинаковой амплитуды в максимумах ин­тенсивности, где сложение происходит в одинаковой фазе, в N раз больше, а интенсив­ность в N ² раз больше, чем от одного пучка (N — число интерферирующих пучков). Отметим, что для нахождения результирующей амплитуды удобно пользоваться гра­фическим методом, используя метод вращающегося вектора амплитуды. Многолучевая интерференция осуществляется в дифракционной решетке.

Многолучевую интерференцию можно осуществить в многослойной системе чере­дующихся пленок с разными показателями преломления (но одинаковой оптической толщиной, равной l ₀/4), нанесенных на отражающую поверхность (рис. 12).

Рис.12

Можно показать, что на границе раздела пленок (между двумя слоями ZnS с большим показателем преломления п ₁ находится пленка криолита с меньшим показателем преломления n ₂) возникает большое число отраженных интерферирующих лучей, кото­рые при оптической толщине пленок l ₀/4 будут взаимно усиливаться, т. е. коэффициент отражения возрастает. Характерной особенностью такой высокоотражательной систе­мы является то, что она действует в очень узкой спектральной области, причем чем больше коэффициент отражения, тем уже эта область. Например, системаиз семипленок для области 0, 5мкм дает коэффициент отражения r»96% (при коэффициенте пропускания»3, 5% и коэффициенте поглощения < 0, 5%). Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференцион­ных светофильтров (узкополосных оптических фильтров).

Явление интерференции также применяется в очень точных измерительных прибо­рах, называемых интерферометрами. Все интерферометры основаны на одном и том же принципе и различаются лишь конструкционно. На рис. 13

Рис.13

представлена упрощенная схема интерферометра Майкельсона. Монохроматический свет от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную пластинку P ₁. Сторона пластинки, удаленная от S, посеребренная и полупрозрачная, разделяет луч на две части: луч 1 (отражается от посеребренного слоя) в луч 2 (проходит через него). Луч 1 отражается от зеркала M ₁ и, возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку P ₁ (луч 1 '). Луч 2 идет к зеркалу М ₂, отражается от него, возвращается обратно и отражается от пластинки Р ₁ (луч 2 '). Так как первый из лучей проходит сквозь пластинку Р ₁ дважды, то для компенсации возникающей разности хода на пути второго луча ставится пластинка Р ₂ (точно такая же, как и Р ₁, только не покрытая слоем серебра).

Лучи 1 ' и 2 ' когерентны; следовательно, будет наблюдаться интерференция, резуль­тат которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зеркала М ₁ и луча 2 от точки О до зеркала M ₂. При перемещении одного из зеркал на расстояние l₀/4 разность хода обоих лучей увеличится на l₀/2 и произойдет смена освещенности зрительного поля. Следовательно, по незначительному смещению ин­терференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр Майкельсона для точного (порядка 10^–7 м) измерения длин (измерения длины тел, длины волны света, изменения длины тела при изменении температуры (интерференционный дилатометр)).

Российский физик В. П. Линник (1889—1984) использовал принцип действия ин­терферометра Майкельсона для создания микроинтерферометра (комбинация интерфе­рометра и микроскопа), служащего для контроля чистоты обработки поверхности.

Интерферометры — очень чувствительные оптические приборы, позволяющие определять незначительные изменения показателя преломления прозрачных тел (газов, жидких и твердых тел) в зависимости от давления, температуры, примесей и т. д. Такие интерферометры получили название интерференционных рефрактометров. На пути ин­терферирующих лучей располагаются две одинаковые кюветы длиной l, одна из которых заполнена, например, газом с известным (n ₀), а другая — с неизвестным (n_x) показателями преломления. Возникшая между интерферирующими лучами дополни­тельная оптическая разность хода D=(n_x — n ₀) l. Изменение разности хода приведет к сдвигу интерференционных полос. Этот сдвиг можно характеризовать величиной

где m ₀ показывает, на какую часть ширины интерференционной полосы сместилась интерференционная картина. Измеряя величину m ₀ при известных l, n ₀ и l, можно вычислять n_x или изменение n_x – n ₀. Например, при смещении интерференционной картины на ¹/₅ полосы при l =10 см и l =0, 5 мкм n_x – n ₀ = 10^–6, т.е. интерференцион­ные рефрактометры позволяют измерять изменение показателя преломления с очень высокой точностью (до 1/1 000 000).

Применение интерферометров очень многообразно. Кроме перечисленного, они применяются для изучения качества изготовления оптических деталей, измерения углов, исследования быстропротекающих процессов, происходящих в воздухе, об­текающем летательные аппараты, и т. д. Применяя интерферометр, Майкельсон впер­вые провел сравнение международного эталона метра с длиной стандартной световой волны. С помощью интерферометров исследовалось также распространение света в движущихся телах, что привело к фундаментальным изменениям представлений о пространстве и времени.