Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины и равного наклона.

Интерференцию света можно получить при отражении его от тонких пленок. Если луч света падает на плоскопараллельную пластину с показателем преломления n и толщиной b, он разделяется на два луча см. рис.

Лучи 1 и 2, отраженные от обеих поверхностей пластины, когерентны и поэтому при наложении интерферируют. Начиная от точек Д и С между лучами 1 и 2 не возникает дополнительной разности хода. Разность хода возникает, когда они, начиная от точки А, идут по разным путям в разных средах. Разность хода между лучами 1 и 2 имеет вид: =˃

Однако не является полной оптической разностью хода между лучами 1 и 2. Решение уравнений Максвелла для световых волн, а также опыт показывают, что при отражении света от оптически более плотной среды по сравнению со средой, в которой он распространяется, фаза световой волны скачкообразно меняется на p. При этом между лучами 1 и 2 возникает дополнительная разность хода, которую можно учесть, прибавив или вычтя из , где - длина световой волны в вакууме. Поэтому полная оптическая разность хода выражается формулой:

Если разность хода D равна целому числу длин волн,

, (k = 0,1,2...)

то при наложении соответствующих волн будет наблюдаться интерференционный максимум. Формулу для максимума имеет вид:

,

Минимум интенсивности будет наблюдаться, если оптическая разность хода между лучами равна нечетному числу полуволн:

или

,

Интерференцию можно наблюдать и в проходящем свете см.рис., если собрать на экране с помощью линзы лучи 1' и 2', прошедшие через пластину.

При отражении обоих лучей от оптически менее плотной, чем сама пластина, среды не происходит скачкообразного изменения фазы на p. Поэтому условия для интерференционных максимумов и минимумов для проходящего света поменяются местами по сравнению с соответствующими условиями для отраженного света.

Если освещать пластинку рассеянным монохроматическим светом и собрать с помощью линзы интерферирующие лучи, в ее фокальной плоскости на экране возникает интерференционная картина в виде чередующихся концентрических светлых и темных колец. Каждое кольцо соответствует определенному углу падения лучей на пластину. Поэтому интерференционные полосы, образующиеся при освещении тонких плоскопараллельных пластин, называются полосами равного наклона. При освещении пластины обычным, белым светом полосы оказываются окрашенными.

 

8. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии.

Дифракция - это явление, возникающее при распространении света в среде с резкими неоднородностями, которое заключается в огибании светом препятствий и прохождением его в область геометрической тени. Дифракция заключается в нарушении закона прямолинейного распространения света. Дифракцию можно объяснить с помощью принципа Гюйгенса: любая точка в пространстве, до которой дошел фронт волны, становится точечным источником вторичных сферических волн. Огибающая этих волн дает положение волнового фронта в последующий момент времени. Волновой фронт - это поверхность, и световые лучи перпендикулярны волновому фронту.

Пусть непрозрачный экран с отверстием освещается параллельным пучком лучей см.рис. Воспользовавшись принципом Гюйгенса, легко найти новое положение волнового фронта после прохождения света через отверстие и убедится в том, что световые лучи действительно отклоняются от первоначального прямолинейного распространения. Для того, чтобы описывать явление дифракции количественно, принцип Гюйгенса был дополнен Френелем. Дополнение Френеля касается источников вторичных волн: точечные источники вторичных сферических волн - когерентны и поэтому необходимо учитывать интерференцию этих волн при наложении (образование и min интенсивности).

Рис.2 Рассмотрим дифракцию в параллельных лучах на одной щели. Пусть параллельный пучок монохроматического света падает нормально на непрозрачный экран, в котором прорезана длинная узкая щель шириной АВ = а. Как только плоский фронт световой волны дойдет до щели, все ее точки станут точечными источниками когерентных волн и лучи от них будут распространяться во все стороны. Рассмотрим лучи, идущие под углом к первоначальному направлению (рис.2).

Если собрать их линзой на экране в точке Р, можно наблюдать результат их интерференции. Оптическая разность хода между двумя крайними лучами

D = BC равна . Если угол таков, что D равно четному числу полуволн

()

тогда фронт световой волны разбивается на четное число плоских зон Френеля.

Плоские зоны Френеля обладают следующими свойствами: для любого луча, идущего от одной зоны, найдется соответственный луч, идущий от соседней зоны, так что разность хода между этими лучами равна и эти лучи взаимно гасят друг друга. Поэтому все световые волны от 2 соседних зон приходят в точку наблюдения в противофазе и гасят друг друга. Поэтому условие - есть условие min интенсивности в дифракционной картине. Если же , то поверхность фронта волны разбивается на нечетное число зон Френеля. Каждые две соседние зоны взаимно гасят друг друга, а действие одной из зон оказывается не компенсировано. Поэтому условие является условием max интенсивности для дифракции от одной щели. В направлении угла j = 0 лежит самый яркий max нулевого порядка, поскольку разность хода любых лучей, посылаемых щелью, в этом случае равна нулю. Поэтому лучи приходят в точку наблюдения в одной фазе, максимально усиливая друг друга.

 

9. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка. Условие минимума и максимума дифракции. Дифракция на кристаллических решетках.

Дифракционная решетка.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа N одинаковых по ширине и параллельных друг другу щелей, разделенных непрозрачными промежутками, также одинаковыми по ширине b -ширина щели

а - ширина непрозрачного участка; d = a + b -период или постоянная решетки.

(1)

условие главных минимумов дифракционной решетки будет аналогично условию минимумов для щели:

(2)

- условие главных минимумов.

Условие главных максимумов: (3)

Для наблюдения дифракции Фраунгофера необходимо точечный источник поместить в фокусе собирающей линзы, а дифракционную картину можно исследовать в фокальной плоскости второй собирающей линзы, установленной за препятствием.

Разобьём волновую поверхность на участке щели МN на зоны Френеля, имеющие вид полос, параллельных ребру М щели. Ширина каждой полосы выбирается так, чтобы разность хода от краев этих зон была равна λ/2, т.е. всего на ширине щели уложится зон. Число зон Френеля укладывающихся на ширине щели, зависит от угла φ.

Условие минимума при дифракции Френеля:

Если число зон Френеля четное

 

или

 

то в т. Р наблюдается дифракционный минимум.

Условие максимума: Если число зон Френеля нечетное

то наблюдается дифракционный максимум.

 

10. Применение дифракции и интерференции. Просветление оптики. Спектральный анализ. Голография.

Просветленная оптика.

Возможность ослабления отраженного света вследствие интерференции в тонких пленках широко используется в современных оптических приборах (фотоаппаратах, биноклях, перископах и т.д.). Для этого на передние поверхности имеющихся в них линз и призм наносят тонкие прозрачные пленки, абсолютный показатель преломления которых n_пл. меньше n _линзы. Толщина пленки подбирается таким образом, чтобы осуществлялся интерференционный минимум отражения для света с λ = 5,5·10^-7 м, соответствующий наибольшей чувствительности человеческого глаза (зеленый свет). Такая оптика получила название просветленной. В отраженном свете просветленные линзы кажутся окрашенными в фиолетовый цвет, т.к. они заметно отражают только красный и сине-фиолетовый свет.

Наиболее полное взаимное гашение световых волн, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки на просветленной линзе, происходит в случае равенства интенсивностей этих волн, т.е. при приблизительном равенстве коэффициентов отражения. При i₁ = 0

Следовательно, оптимальное значение n_пл

Минимальная толщина пленки находится из условия минимума Δ:

b_min при k = 0

 

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интерференции световых волн.
Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света.

11. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Степень поляризации. Закон Малюса. Вращение пл-сти поляризации.

Свет - это электромагнитные волны, излучаемые атомами и молекулами при переходе их из возбужденного состояния в основное за время ~ 10^-8 c.

Электромагнитная волна характеризуется направлением распространения , векторами напряженности электрического и магнитного поля. Векторы и колеблются синфазно и взаимно перпендикулярны направлению распространения волны (рис.1). Поскольку источники света содержат огромное число атомов и молекул, естественный свет является наложением (суперпозицией) цугов электромагнитных волн, излучаемых множеством атомов светящегося тела. Вследствие этого наложения в результирующей световой волне естественного света колебания векторов и происходят в любых плоскостях.

 

Рис.1

Рис.2 Свет называется плоско поляризованным, если колебания вектора происходят в строго определенной плоскости, называемой плоскостью поляризации.

Плоско поляризованный свет можно получить из естественного, пропустив его через поляризатор. Поляризатором называется устройство,

преобразующее естественный свет в плоско поляризованный. Его действие основано на том, что поляризатор полностью пропускает свет с колебаниями вектора , совпадающими с плоскостью поляризатора.

Свет полностью задерживается, если вектор колеблется в плоскости, перпендикулярной плоскости поляризатора.

Рис.3 Пусть плоско поляризованная световая волна, описываемая уравнением , падает на поляризатор. Вектор напряженности электрического поля с амплитудой колеблется в плоскости, составляющей угол j с плоскостью поляризатора.

Интенсивность поляризованного света, падающего на поляризатор, пропорциональна квадрату амплитуды световой волны: . Чтобы найти интенсивность поляризованного света разложим колеблющийся вектор напряженности на две синфазно колеблющиеся компоненты с амплитудами: , . Поляризатор полностью пропустит свет с амплитудой и полностью задержит с амплитудой .

Интенсивность пропущенного света I пропорциональна квадрату амплитуды , . Соотношение выражает закон Малюса: интенсивность света I, проходящего через поляризатор, равна интенсивности I₀ падающего поляризованного света, умноженной на квадрат косинуса угла j между плоскостью, в которой колеблется вектор падающего света, и плоскостью поляризатора.

При отражении от поверхности диэлектриков, а также при преломлении естественный свет становится частично поляризованным. Мерой поляризованности при этом является степень поляризации, равная отношению интенсивности поляризованной составляющей к полной интенсивности падающего света. Степень поляризации зависит от угла падения. Согласно закону Брюстера, свет, отраженный от диэлектрика, полностью плоскополяризован, если тангенс угла падения равен относительному показателю преломления диэлектрика: ( - угол Брюстера). Степень поляризации преломленного луча при этом максимальна, но он поляризован частично. Колебания векторов и отраженного и преломленного лучей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.4).

Рис.4

Следует отметить, что при падении света под углом Брюстера угол между отраженным и преломленным лучами составляет 90⁰.

12. Способы получения поляризованного света. Двойное лучепреломление. Дихроизм. Яв-ие и закон Брюстера. Искусственная анизотропия.

Мерой поляризованности при этом является степень поляризации, равная отношению интенсивности поляризованной составляющей к полной интенсивности падающего света. Степень поляризации зависит от угла падения. Согласно закону Брюстера, свет, отраженный от диэлектрика, полностью плоскополяризован, если тангенс угла падения равен относительному показателю преломления диэлектрика: ( - угол Брюстера). Степень поляризации преломленного луча при этом максимальна, но он поляризован частично. Колебания векторов и отраженного и преломленного лучей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.4).

Рис.4

Следует отметить, что при падении света под углом Брюстера угол между отраженным и преломленным лучами составляет 90⁰.

На основе закона Брюстера основано действие стопы Столетова.

 

Полностью поляризованный свет можно получить, пропуская естественный свет через вещества, обладающие двойным преломлением (кварц, исландский шпат и др.). Явление двойного лучепреломления заключается в разделении естественного или поляризованного света через анизотропные кристаллы. Один из лучей называется обыкновенным, другой – необыкновенным(рис.5).

Рис.5

Обыкновенный луч удовлетворяет закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к границе раздела. Для необыкновенного луча отношение синуса угла падения к синусу угла преломления зависит от угла падения. Даже при нормальном падении света необыкновенный луч преломляется и в общем случае не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются в кристалле с разными скоростями, т.е. показатели преломления кристалла для этих лучей и - различны. В кристалле есть направление, распространяясь вдоль которого лучи не испытывают двойного лучепреломления. Это направление называется оптической осью кристалла. Кристаллы бывают одноосными и двуосными: у последних имеется две оптические оси. При распространении вдоль оси свет не меняет своей поляризации. Некоторые из кристаллов обладают дихроизмом, т.е. способностью сильно поглощать один из лучей (обыкновенный или необыкновенный). На этом принципе основано действие поляризаторов света, так называемых поляроидов. Поляроид представляет собой тонкую геллулоидную пленку, в которую введено большое количество кристаллов хинина. Хинин пропускает только необыкновенные лучи и поглощает обыкновенные. Естественный свет, пропущенный через поляризатор, является полностью поляризованным.

Двойное лучепреломление света можно наблюдать не только пропуская свет через анизотропные кристаллы. Если в оптически изотропном веществе создать каким-либо образом искусственную анизотропию, то при пропускании света через это вещество будет иметь место двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление возникает, например, при деформации изотропного вещества. Это явление называется фото упругостью.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: