Вопрос 4. Применения явления интерференции. Просветление оптики. Интерферометры.

Наблюдение полос равной толщины используется в различных задачах техники, в частности, при определении качества полировки оптических поверхностей. Исследуемую оптическую пластинку накладывают на контрольную так, чтобы между ними образовался тонкий воздушный клин. Сверху пластинки освещают монохроматическим светом и наблюдают интерференционные полосы в отраженном свете. Если поверхности обеих пластин идеально плоские, то наблюдаются совершенно прямые полосы равной толщины, параллельные ребру клина. Имеющиеся на поверхности дефекты приводят к искривлению полос, по виду которых легко отличить «впадину» от «бугра». По величине искривлений можно определить наличие отклонений от плоскости меньшие 0,1 длины волны λ интерферирующего света.

Исследования полос равной толщины используют для точного измерения малых углов между оптическими поверхностями и для решения других метрологических задач.

При создании оптических систем с большим числом отражающих поверхностей даже при относительно малом коэффициенте отражения каждой из них в системе теряется на отражение значительная часть светового потока. Значительное отражение света от поверхности линз оптических приборов приводит к возникновению бликов, что, например, в военной технике демаскирует местоположение прибора. Явление интерференции используют для уменьшения коэффициента отражения на каждой поверхности (просветление оптики). Для этого на поверхности линзы наносят тонкие пленки с показателем преломления n, меньшим показателя преломления стекла линзы n₂ (рис. 8.5). Световые волны, отраженные от внешней и внутренней поверхностей пленки когерентны, это лучи 1 и 2

Рис.8.5

при нормольном падении волны или лучи 1' и 2' при наклонном падении волны. Произведя расчет для нормального падения лучей с длиной волны λ₀ на поверхность объектива, толщину пленки h и показатели преломления стекла n₂ и пленки n можно подобрать такими, чтобы световые волны, отраженные от обеих поверхностей пленки, находились в противофазе и гасили друг друга. В этом случае при нормальном падении света на поверхность линзы оптическая разность хода равна:

Δ = 2nh = (m + 1/2) λ₀ ,

так как изменение фазы волны на π (потеря полуволны) происходит на обеих поверхностях. Обычно делают пленку толщиной, соответствующей m = 0, тогда минимальная оптическая толщина пленки будет равна nh_min = λ₀ /4. Это очень тонкая пленка, поэтому на практике изготавливают пленку толщиной , естественно увеличивая в нечетное число раз. Наибольшее ослабление отраженного света происходит при равенстве амплитуд отраженных волн, что выполняется при условии:

.

Поскольку при интерференции энергия световой волны не изменяется, а только перераспределяется в пространстве, то при нанесении такой тонкой пленки на поверхность линз оптическая система «просветляется», т.е. просветление оптики увеличивает светопропускание оптической системы. Показатели преломления n и n₂ зависят от длины волны, поэтому это соотношение выполняется только для некоторого интервала длин волн. Обычно просветление оптики делается для наиболее восприимчивой глазом человека длины волны λ₀ ≈ 550 нм.

В последнее время разработаны способы нанесения многослойных покрытий, обеспечивающих наиболее эффективное просветление в приборах с большим числом преломляющих поверхностей и позволяющих избежать заметного изменения спектрального состава проходящего через оптическую систему излучения.

При нанесении на оптическую поверхность пленки c оптической толщиной nh_min = λ₀ /4 и показателем преломления n > n₂ будет наблюдаться увеличение коэффициента отражения, так как в этом случае потеря полуволны происходит только на передней поверхности пленки, а оптическая разность пути для минимальной толщины равна Δ = (2· λ /4 + λ /2) = λ, и обе волны будут усиливать друг друга. Добиться еще больших коэффициентов отражения можно, если вместо двухлучевой интерференции использовать многолучевую интерференцию, возникающую при наложении большого числа когерентных световых волн. В этом случае интерференционные максимумы интенсивности окажутся тем более узкими, чем больше N – число интерферирующих пучков, а их интенсивность увеличится в N² раз.

Многолучевую интерференцию можно осуществить в многослойной системе чередующихся тонких пленок с одинаковой оптической толщиной n_ih_min = λ₀ /4, но с разными показателями преломления, нанесенными на отражающую поверхность, рис. 8.6. На рисунке показано многослойное

отражающее покрытие, где в качестве пленкообразующих материалов

Рис.8.6

используются сульфид цинка с показателем преломления n₁ = 2,3 и криолит с показателем преломления n₂ = 1,32, т.е. между двумя слоями с большим показателем преломления помещают слой с малым показателем преломления. В этом случае возникает большое число отраженных когерентных волн, которые синфазны и будут взаимно усиливаться, т.е. коэффициент отражения на определенной длине волны увеличивается.

Подобные интерференционные зеркала применяются в лазерной технике, используются при изготовлении интерференционных светофильтров (узкополосных оптических фильтров) и многослойных интерференционных поляризаторов.

Практическим применением интерференции являются также прецизионные измерения малых линейных размеров и показателей преломления прозрачных сред. Для этого служат приборы, называемые интерферометрами.

Интерферометры также позволяют определять незначительные изменения показателя преломления прозрачных тел (газов, жидкостей и твердых тел) в зависимости от давления, температуры, примесей и т.п. Имеется много разновидностей интерференционных приборов, называемых интерферометрами. Принцип действия их одинаков, и различаются они лишь конструктивно. Рассмотрим упрощенную оптическую схемы интерферометра Майкельсона, рис. 8.7.

Пучок монохроматического света от источника S падает под углом 45⁰ на полупрозрачную плоскопараллельную пластинку Р₁, покрытую тонким слоем серебра (заштрихованная сторона пластинки), которая разделяет луч на две части равной интенсивности: отраженный от посеребренного слоя луч 1 и прошедший через пластинку луч 2. Световой луч 1 отражается от зеркала М₁ и возвращается к Р₁, где делится на два равных по интенсивности луча. Один из них проходит сквозь пластинку (луч 1′), второй отражается в сторону источника света S и нас больше интересовать не будет. Луч 2 распространяется в сторону зеркала М₂, отражается от него, вновь возвращается к пластинке Р1, где делится на две части: отразившийся луч 2′ и прошедший сквозь нее луч, который также нас не интересует. Поскольку лучи 1′ и 2′ получены от одного источника света, то они когерентны и будут интерферировать. Результат интерференции зависит от оптической разности хода лучей от пластинки Р₁ до зеркал М₁ и М₂ и обратно. Так как луч 1′ проходит сквозь пластинку Р₁ дважды, то для компенсации возникшей за счет этого оптической разности хода на пути луча 2′ нужно поставить точно такую же, как Р₁, пластинку Р₂, но не покрытую серебром.

Таким способом уравниваются пути лучей 1 и 2 в стекле.

Рис.8.7

Интерференционная картина наблюдается с помощью зрительной трубы.

При перемещении любого из зеркал с помощью микрометрического винта на расстояние λ₀ /4 разность хода обоих лучей изменится на λ₀ /2 и произойдет смена освещенности зрительного поля трубы. Так, по незначительному смещению интерференционной картины можно определить перемещение зеркал и таким образом использовать интерферометр Майкельсона для точного (порядка 10^{-7 м}) измерения длин тел, длины волны света и т.д.

Используя интерферометр, Майкельсон в 1890 – 1895 гг. впервые произвел сравнение длины волны красной линии кадмия с международным эталоном метра. С помощью интерферометра Майкельсона исследовалось распространение света в движущихся средах, что привело к фундаментальным изменениям представлений о пространстве и времени. В 1920 г. Майкельсон построил звездный интерферометр, позволивший измерять малые угловые расстояния между двойными звездами и угловые размеры звезд.

Интерферометры можно использовать для измерения показателя преломления прозрачного вещества n_x. Такие интерферометры называются интерференционными рефрактометрами. В них на пути одного из лучей нужно поставить кювету длиной l с исследуемым веществом, а на пути другого луча – такую же кювету с эталонным веществом, показатель преломления которого n₀ известен. Возникающая между интерферирующими лучами оптическая разность пути Δ = l(n_x - n₀) приводит к сдвигу интерференционных полос, по которому можно вычислить изменение n_x - n₀, а значит и n_x. Такой интерферометр позволяет производить измерения n_x с относительной точностью порядка 10^-6.

Российский физик В.П. Линник на основе комбинации интерферометра Майкельсона и микроскопа создал микроинтерферометр, предназначенный для контроля чистоты обработки металлических поверхностей высокого класса точности. В микроинтерферометре наблюдают интерференционную картину полос равной толщины, искривления которых зависят от микрорельефа исследуемой поверхности.

В.П. Линник построил также интерферометр позволяющий контролировать прямолинейность поверхностей большого размера длиной до 5м с точностью до 1 мкм.

Интерференционный дилатометр Физо-Аббе используется для точных измерений коэффициента расширения различных веществ.

Контрольные вопросы:

1. Каковы основные положения и выводы корпускулярной и волновой теорий света? Почему возникло представление о двойственной корпускулярно-волновой природе света?

2. Какую величину называют временем когерентности? длиной когерентности? Какова связь между ними?

3. Для чего вводятся понятия временной и пространственной когерентностей?

4. Что такое оптическая длина пути? оптическая разность хода?

5. Почему интерференцию можно наблюдать от двух лазеров и нельзя от двух

электроламп?

6. Что такое полосы равной толщины и равного наклона? Где они локализованы?

7. При освещении тонкой пленки из прозрачного материала монохроматическим светом, падающим нормально к поверхности пленки, на ней наблюдают параллельные чередующиеся равноуда­ленные темные и светлые полосы. Одинакова ли толщина отдельных участков пленки?

8. Как изменится положение колец Ньютона, если пространство между линзой и пластинкой заполнить прозрачной жидкостью?

9. Когда слой с оптической толщиной в четверть длины волны в одних случаях используется для полного гашения отраженных лучей, а в других случаях − для их усиления?