Методы получения интерференционной картины

Исследование интерференции света и определение длины волны используемого излучения

Методическое указание к лабораторной работе

ПЕНЗА 2007

Цель работы - изучение методов наблюдения интерференционной картины и измерения ее параметров, определение длины волны используемого излучения.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1.Оптическая скамья.

2.Лазер.

3.Бипризма Френеля.

4.Линзы.

5.Отражающий экран.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ

Из опыта известно, что если на некоторую поверхность падает свет от двух источников (например, от двух ламп накаливания), то освещенность этой поверхности складывается из освещенностей, создаваемых каждым источником в отдельности. Освещенность поверхности определяется величиной светового потока, приходящегося на единицу площади, следовательно, суммарный световой поток, падающий, в рассматриваемом случае на любой элемент поверхности, равен сумме потоков от каждого из источников. Такого рода наблюдения привели к открытию закона независимости световых пучков.

Однако ситуация принципиально изменяется, если поверхность освещается двумя световыми волнами, испускаемыми одним и тем же точечным источником, но проходящими до места встречи различные пути. В этом случае, как показывает опыт, отдельные участки поверхности будут освещены очень слабо; световые волны, накладываясь, гасят друг друга. Освещенность же других участков, на которых накладывающиеся волны усиливают друг друга, будет существенно превосходить удвоенную освещенность, которую могла бы создать одна из этих волн.

Таким образом, на поверхности будет наблюдаться картина чередующихся максимумов и минимумов освещенности, которую называют интерференционной картиной (рис.1).

Появление такой картины при наложении световых волн носит название интерференции света. Необходимым условием интерференции волн является когерентность, т.е. равенство их частот и постоянство во времени разности фаз. Два независимых источника света, например, две электрические лампочки, создают некогерентные волны и не образуют интерференционную картину. Существуют различные методы, позволяющие искусственно создавать когерентные волны и наблюдать интерференцию света. Рассмотрим некоторые из них.

Рис. 1.

1.1. Метод Юнга

Первым экспериментом, позволившим произвести количественный анализ явления интерференции, был опыт Юнга, поставленный в 1802 году.

Представим себе очень малый источник монохроматического света о (рис.2), освещающий два столь же малых и близко расположенных друг от друга отверстия и в экране А.

По принципу Гюйгенса эти отверстия можно рассматривать как самостоятельные источники вторичных сферических волн. Если точки и расположены на одинаковых расстояниях от источника света S, то фазы колебаний в этих точках будут одинаковы (волны когерентны), а в какой-либо точке Р второго экрана В, куда будут приходить световые волны от и , разность фаз, накладывающихся друг на друга колебаний, будет зависеть от разности , Носящей название разности хода.

При разности хода, равной четному числу полуволн, фазы колебаний будут отличатся на величину кратную 2π, и световые волны при наложении в точке Р будут усиливать друг друга, точка Р экрана будет больше освещена, чем соседние точкина прямой ОР.

Условие максимальной освещенности точки Р можно записать в виде:

(1)

где К =1, 2, 3, 4…

Если же разность хода будет равна нечетному числу полуволн, то в точке Р колебания, распространяющееся от и , будут друг друга гасить, и эта точка освещена не будет. Условие минимальной освещенности точки

Те же точки экрана В, разность хода до которых удовлетворяет условию

(3)

будут освещены, но их освещенность будет меньше максимальной. Поэтому наблюдаемая на экране интерференционная картина представляет собой систему полос, в пределах которой освещенность при переходе от светлой полосы к темной изменяется плавно по синусоидальному закону

Для точки О экрана, равноудаленной от источников и , разность хода лучей и равна нулю, т.е. в результате интерференции эта точка будет максимально освещена (максимум нулевого порядка).

Определим расстояние до тех точек , в которых будут наблюдаться следующие интерференционные максимумы, т.е. определим .

Из прямоугольных треугольников и имеем (по теореме Пифагора):

(4)

Вычитая почленно получим

Перепишем это равенство в виде

(5)

Полагая, что расстояние между источниками много меньше расстояния от источников до экрана , можно считать, что

(6)

Тогда равенство (5) примет вид

(7)

В свою очередь , тогда , откуда

(8)

И наконец, расстояние до точек, в которых наблюдаются максимумы, найдем из условий (1) и (8)

откуда (9)

Следовательно, первая максимально освещенная линия будет расположена на расстоянии начиная от середины экрана:

Вторая линия с максимальной освещенностью будет располагаться на расстоянии

и т.д.

Расстояние до точек, где наблюдаются минимумы (темные линии), получим из условия

Откуда

где = 0, 1, 2, 3...

Период интерференционной картины, т.е. расстояние между ближайшими линиями одинаковой освещенности (например, максимальной или минимальной), как следует из (9) или (10), равен

При освещении отверстий и белым (полихроматическим) светом на экране получаются цветные полосы, а не темные и светлые как в описанном опыте.

1.2. Метод Ллойда

На рис. 3 изображено интерференционное устройство, состоящее из действительного источника свете S и плоского зеркала (зеркала Ллойда). Один световой пучок, исходящий из источника света, отражается от зеркала и попадает на экран . Этот пучок света можно представить исходяцим от мнимого изображения

Рис.3.

источника света , образованного зеркалом. Кроме того, на экран попадают лучи, идущие непосредственно из источника света S. В той области экрана, где перекрываются оба пучка света, т.е. накладываются две когерентные волны, будет наблюдаться интерференционная картина.

1.3. Бипризма Френеля

Когерентные волны могут быть поручены также при помощи бипризмы Френеля - двух призм (с очень малыми преломляющими углами), сложенных основаниями.

На рис.4 дана схема хода лучей в этом опыте.

Пучок расходящихся лучей от источника света S, проходя верхнюю призму, преломляется к ее основанию и распространяется дальше как бы из точки - мнимого изображения точки . Другой пучок, падающий на нижнюю призму, преломляясь, отклоняется вверх. Точкой, из которой расходятся лучи этого пучка, служит - тоже мнимое изображение точки . Оба пучка накладываются друг на друга и дают на экране интерференционную картину. Результат интерференции в каждой точке экрана, например, в точке Р зависит от разности хода лучей, падающих в эту точку, т.е. от разности расстояний до мнимых источников света и .

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
И ВЫВОД РАСЧЕТНОЙ ФОРМУЛЫ

В настоящей работе требуется по результатам измерения периода наблюдаемой интерференционной картины определить длину волны используемого монохроматического излучения. Источником излучения является лазер, размещенный вместе с другими узлами экспериментальной установки на оптической скамье (физика работы лазера изложена в приложении). Оптическая схема установки приведена на рис.5.

Параллельный пучок света, формируемый лазером ЛГ, фокусируется линзой Л₁, и её фокальная точка является источником, освещающим бипризму Френеля БФ. Учитывая, что расстояние от точки до бипризмы много больше светового пятна на бипризме, т.е. расходимость пучка лучей, исходящих из фокуса линзы Л₁, мала, в первом приближении можно считать, что все лучи, падающие на бипризму, параллельны. Тогда лучи, падающие на верхний клин бипризмы, отклоняются вниз на угол

(12)

где п - показатель преломления бипризмы;

- преломляющий угол бипризмы.

Лучи же, падающие на нижний клин, отклоняются вверх так же на угол . Таким образом, от бипризмы к линзе Л₂ распространяются два параллельных пучка света (две плоские волны), угол между которыми равен 2 . Линза Л₂ фокусирует эти пучки и формирует в своей фокальной плоскости два точечных источника, отстоящих друг от друга на расстоянии

(13)

где - фокусное расстояние линзы Л₂.

Учитывая, что угон так же как и угол очень мал, расстояние между источниками можно записать в виде

(14)

Когерентные волны, распространяющиеся от этих источников накладываются друг на друга, и формируют на экране интерференционную картину, период которой описывается выражением (11).Подставляя в это выражение

(15)

(что следует из формул (12), (14) и рис.5) для периода запишем

(16)

Отсюда получим расчетную формулу

(17)

Параметры, входящие в формулу (17) сведены в таблицу.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить вилку сетевого шнура блока питания лазера в сетевую розетку. Тумблером «сеть», расположенным на лицевой панели блока питания, включить лазер.

2. На оптической скамье путем перемещения бипризмы и линзы (перемещая тележки) установить их в таком положении, при котором будет отчетливо видна интерференционная картина, аналогичная рис.1.

3. По шкале оптической скамьи определить расстояние L от линзы Л₁ до экрана Э.

4. По масштабной сетке экрана определить период интерференционной картины (для наиболее точного определения периода считают, сколько светлых полос умещается на отрезке в 20-30 мм, а затем длину отрезка делят на число полос).

5. Пользуясь данными таблицы и расчетной формулой (17), вычислить длину волны .

6. Операции, указанные в пп. 2-5, повторить 3-4 раза, смещая каждый раз линзу Л₁ на 50-100мм от первоначального положения.

7. Полученные значения длины волны усреднить.

Таблица

№ опыта	п		, м	L, м	, м	, м	ср, м
	1, 53
	1, 53
	1, 53
	1, 53

Контрольные вопросы

1. Что такое интерференция волн?

2. Каковы условия возникновения интерференционной картины?

3. Назовите методы получения когерентных световых волн.

4. Каковы условия образования интерференционных максимумов и минимумов?

5. Объясните, как зависит период интерференционной картины от преломляющегося угла бипризмы и длины световой волны.

6. Каково назначение лазера в данной работе?

7. Начертите оптическую схему установки и объясните назначение элементов.

Приложение

Физические основы работы лазеров

Изучая механизм изучения и поглощения квантовой системой (атомом или Молекулой) мы выяснили, что при переходе квантовой системы из одного энергетического состояния в другое происходит излучение или поглощение порции электромагнитной анергии (рис. 6).

При этом говорилось лишь о таком механизме излучения, при котором атом переходит на более низкий энергетический уровень самопроизвольно (спонтанно), т.е. без всякого внешнего толчка (тепловое излучение, люминесценция и т.п.). Однако этот механизм излучения не является единственно возможным.

А.Эйнштейном в 1917 г. было установлено, что квантовая система может излучить квант энергии (перейдя при этом в состояние с Меньшей энергией) под, влиянием внешнего электромагнитного поля. Этот эффект получил название индуцированного (стимулированного) излучения. Оно является процессом, обратным процессу поглощения фотонов средой (отрицательный коэффициент поглощения). То есть при воздействии на возбужденный атом другим, внешним фотоном, имеющим энергию, равную энергии фотона излучаемого самопроизвольно, возбужденный атом перейдет не более низкий энергетический уровень и испустит фотон, который добавится к падающему ('рис.6, б).

Индуцированное электромагнитное излучение обладает замечательным свойством, оно тождественно с первичным падающим на вещество излучением, т.е. совпадает с ним по частоте, направленно распространения и поляризации и когерентно во всем объеме вещества. При самопроизвольном же испускании фотоны имеют различные фазы и направления, а частоты их заключены в некотором интервале значений.

Индуцированные фотоны, двигаясь далее в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы вещества, вновь стимулируют излучение тождественных с ними фотонов - так появляется лавинное нарастание числа фотонов.

Среды, в которых возможно индуцированное (стимулированное) излучение, обладают отрицательным коэффициентом поглощения, так как лучистый поток, проходя сквозь такие среды, не ослабляется, а усиливается. Эти среды отличаются от обычных тем, что в них возбужденных атомов больше, чем невозбужденных.

В нормальных условиях поглощение всегда преобладает над вынужденным излучением. Это объясняется тем, что обычно число невозбужденных атомов всегда больше числа возбужденных атомов, а вероятности переходов в ту или другую сторону под влиянием внешних фотонов одинаковы ('см.рис.б, а).

Возможность создания квантовой системы, способной отдавать энергию электромагнитной волне, впервые была обоснована в 1939 г. советским физиком В.А.Фабрикантом. Позднее, в 1955 г. советские физики Н.Г.Басов и A.M.Прохоров и независимо от них американские физики Л.Таунс и Дж.Гордон разработали впервые действующие квантовые приборы, основанные на использовании индуцированного излучения.

Приборы, использующие индуцированное излучение, могут работать как в режиме усиления, так и в режиме генерации. В соответствии с этим они называются квантовыми усилителями или квантовыми генераторами. Их называют также сокращенно лазерами (если это усиление или генерирование видимого света) и мазерами - при усилении (или генерировании) более длинноволнового излучения (инфракрасные лучи, радиоволны).

В лазере главными основными частями являются: активная среда, в которой возникает вынужденное излучение, источник возбуждения частиц этой среды («накалка») и устройство, позволяющее усиливаться фотонной лавине.

В качество рабочего элемента (активной среды) современных квантовых усилителей и генераторов применяются различные вещества, чаще всего в твердом и пи газообразном состоянии.

Рассмотрим один из видов квантового генератора на синтетическом рубине (рис.7). Рабочим элементом является цилиндр 2 из розового рубина (активная среда), который по химическому составу представляет собой окись алюминия -корунд, в котором атомы алюминия в незначительном количестве замещены атомами хрома. Чем больше содержание хрома, тем более насыщен красный цвет рубина. Его окраска обязана своим происхождением тому, что атомы хрома имеют избирательное поглощение света в зелено-желтый части спектра. При этом поглотившие излучение атомы хрома переходят в возбужденное состояние. Обратный переход сопровождается испусканием фотонов.

Размеры цилиндра могут быть приблизительно от 0, 1 до 2 см в диаметре и от 2 до 23 см по длине. Плоские торцевые концы его тщательно отполированы и параллельны с высокой степенью точности. На них наносится серебряное покрытие так, что один конец рубина становится полностью отражающим (зеркальным), а другой, излучающий, посеребрен не так плотно и является частично отражающим (коэффициент пропускания обычно от 10 до 25%).

Рубиновый цилиндр окружен витками спиральной импульсной лампы 1, дающей главным образом зеленое и голубое излучение. За счёт энергии этого излучения и происходит возбуждение. В явлении генерации света участвуют только ионы хрома.

На рис. 8 дана, упрощенная схема возникновения стимулированного излучения в рубине. При облучении кристалла рубина светом (от лампы) с длиной волны 5600А (зеленый), ионы хрома, находившиеся ранее в основном состоянии на энергетическом уровне 1, переходят на верхний энергетический уровень 3, точнее - на уровни, лежащие в полосе 3.

В течение короткого (но вполне определенного) времени некоторые из этих ионов перейдут обратно на уровень 1 с излучением, другие - на уровень 2, который называется метастабильным (R –уровень). При этом переходе излучения не происходит: ионы хрома отдают энергию кристаллической решетке рубина. На метастабильном уровне (промежуточном) ионы находятся более длительное время, чем на верхнем, в результате чего достигается избыточная населенность (инверсная населенность) метастабильного уровня 1. Это носит название оптической накачки.

Если теперь на рубин направить излучение с частотой, соответствующей энергии перехода с уровня 2 на уровень 1, т.е.

,

то это излучение стимулирует ионы, находящиеся на уровне 2, отдать избыток своей энергии и перейти на уровень 1. Переход сопровождается излучением фотонов той же частоты

Таким образом, первоначальный сигнал многократно усиливается и происходит лавинообразное излучение узкой красной линий

Фотоны, которые движутся непараллельно продольной оси кристалла, покидают кристалл, проходя через прозрачные боковые стенки.

По этой причине выходной пучок образуется вследствие того, что потоки фотонов, претерпевая многократные отражения от передней и задней зеркальных граней рубинового цилиндра, достигнув -достаточной мощности, выходят наружу через ту торцевую грань, которая обладает некоторой прозрачностью.

Острая направленность луча позволяет концентрировать энергию на чрезвычайно малые площади. Энергия импульса лазера порядка 1 Дж, а время импульса порядка 1 мкс. Следовательно, мощность импульса порядка 1000 Вт.

Если такой луч сконцентрировать на площадь 100 мкм, то удельная мощность во время импульса составит 10⁹Вт/см. При такой мощности любые тугоплавкие материалы превращаются в пар. Мощный и очень узкий пучок когерентного света уже нашел себе применение в технике для микросварки и изготовления отверстий в медицине - в качестве хирургического ножа при глазных операциях («приваривание» отслоившейся сетчатки глаза) и пр.

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕРЫ

Спустя год после создания в I960 году американским физиком Т.Мейманом рубинового лазера, был создан газовый лазер, в котором активной средой служила смесь газов гелия и неона при давлении в несколько сотен раз меньше атмосферного. Газовая смесь помешалась в стеклянную или кварцевую трубку (рис. 9), в которой с помощью внешнего напряжения, приложэнного к впаянным электродам Э, поддерживался электрический разряд, т.е. электрический ток в газе.

Рис. 9

В этом отношении трубка газового лазера мало отличается от обычных трубок неоновой рекламы. На концах газоразрядной трубки (длиной в несколько десятков сантиметров) помещены зеркала 3, образующие такой же оптический резонатор как и у рубинового лазера. Однако инверсная заселенность в этом лазере достигается иным путем, чем в твердотельных лазерах с оптической накачкой от лампы вспышки.

Свободные электроны, образующие ток электрического разряда в газе, сталкиваются с атомами вспомогательного газа, в данном случае гелия, и переводят атомы гелия в возбужденное состояние, отдавая им при ударе спою кинетическую энергию. Это возбужденное состояние метастабильно, т.е. атом гелия может находиться в нем сравнительно долго, прежде чем перейдет в основное состояние за счет спонтанного излучения. Фактически такой излучательный переход вообще не успевает произойти, поскольку атом гелия отдает свою энергию столкнувшемуся с ним атому неона. В итоге атом гелия возвращается в исходное состояние, а на энергетических уровнях неона возникает инверсная заселенность, которая обеспечивает усиление и генерацию излучения с длиной волны , соответствующей красному свету.

Мощность излучения гелий-неонового лазера, работающего в непрерывном режиме, невелика, она составляет несколько тысячных долей ватта. Однако вследствие высокой оптической однородности газовой среда, это излучение обладает очень высокой направленностью и монохроматичностью, а также когерентностью. Такое излучение легко заставить интерферировать, что и использовано в данной работе.