Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 43
Текст из файла (страница 43)
е. получится интерференционная полоса равного наклона. Каждому углу падения соответствует своя полоса рав- ного наклона, локализованная в бесконече ности. Выше уже упоминалось (см. Э 5.3) об 5«1 интерференционных полосах, образующих- ся при освещении тонкой пластинки слюды чД х г произвольным источником света (наприх 1/ мер, ртутной дугой). Тогда не имело смысла обсуждать их локализацию.
Интерференционные полосы возникали в любой точке пространства, где перекрывались Рис. 5.30. К образованию полос равного наклона интерферирующие пучки. Но если примеэнран расволожан в главвоа фо. нить специальный способ наблюдения, а алланов алосностн линзы ь именно установить линзу (ее ие было в первоначальной схеме) и спроектировать картину интерференции на экран, лежащий в главной фокальной плоскости используемой линзы, то из всего многообразия полос можно выделить только те, которые локализованы в бесконечности, т. е.
полосы равного наклона. Излагая схему этого простого опыта, можно еще раз отметить, что в реальных условиях возникают самые различные интерференциониые полосы. При анализе условий их образования часто оказывается полезным выяснить, где локализована та или иная группа полос, что достигается выбором определенного способа наблюдения интерференционной картины. й 5.7. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ СЛОИ Остановимся на одном приложении явлений интерференции, значение которого за последние годы сильно возросло.
Речь пойдет о нанесении тонких диэлектрических пленок на оптические поверхности с целью изменения коэффициента отражения. При этом могут решаться следующие две диаметрально противоположные задачи: 1. Просветление оптики. Уже указывалось, что при создании оптических систем с большим числом отражающих поверхностей относительно малый коэффициент отражения на каждой из них (Я ж 4% для перехода стекло-+ воздух при нормальном падении) начинает существенно влиять на общее количество света.
Так, например, в сложном объективе, состоящем из нескольких линз, легко потерять половину светового потока. Поэтому сведение к минимуму коэффициента отражения на каждой поверхности (просветление оптики) ста- 170 ео 7О 1ООО Ееао еаоо х л Рис. 3.32. Коэффициент пропускания света 'Г для крона и флинта как функция длины волны до просветления однослойной пленкой (кривые 1, 2) и после просветления (кривые 3, 4) Рис. 5.3!. Уменьшение отражения света от стекла диэлектрической пленкой (л(ле) с оптической толшиной л1=Х/4 интерферирующих волн близки по величине. Это условие (здесь мы пренебрегаем поглощением в тонком слое диэлектрика и не учитываем многократных отражений) в соответствии с формулой (2.4) имеет вид (5.54) и+1 л,+и откуда (5.55) 'Это соотношение указывает, как надо выбирать диэлектрик, пригодный для просветления оптики.
Но решение задачи усложняется тем, что показатели преломления а и пе зависят от длины волны и соотношение (5.55) выполняется лишь в некотором спектральном интервале. Обычно просветление оптики проводят для средней (желто-зеленой) области видимого спектра, подбирая такой диэлектрик, показатель преломления которого для этой области удовлетворяет равенству п = )/пе. Для краев видимого спектра коэффициент отражения Я заметно отличается от нуля.
Именно поэтому просветленные объекты кажутся в отраженном свете пурпурными, что соответствует смешению красного и фиолетового цветов. Рис. 5.32 иллюстрирует результаты просветления двух сортов стекла (легкий крон и тяжелый флинт). Приведенные на нем кривые показывают зависимость коэффициента пропускания от длины волны при 171 новится важной задачей, которая теперь решается путем использования явлений интерференции. Пусть на поверхность стекла, показатель преломления которого равен п„нанесен слой диэлектрика оптической толщины и/ = Л/4. Показатель преломления этого диэлектрика должен быть меньше па.
Очевидно, что волны, отраженные от внешней и внутренней поверхностей такого слоя, находятся в противофазе, так как оптическая разность хода между ними составляет Л/4 + Л/4 = Л/2, а изменение фазы на и («потеря полуволны») происходит на обеих поверхностях (рис.5.31). В результате интерференции эти две волны взаимно ослабляются. Наибольшее ослабление (Я ж О) произойдет тогда, когда амплитуды л ей ео прочои.лопни света через 10 поверхностей крона или флинта до про< ншлснин и после нанесения просветляющей однослойной пленки из двуокиси кремния. В последние годы разработаны способы многослойного покрытия, обеспечивающего особо эффективное просветление в приборах с большим числом прел омл яющих поверхностей, когда кроме выигрыша в пропускании света нужно избежать заметного изменения спектрального состава проходящего излучения. Возможность получения такой многослойной чахроматической» просветляющей пленки сыграла существенную роль в различных задачах оптической промышленности.
В качестве примера на рис. 5.33 приведена зависимость коэффициента про- л, и, а, лэ т ле Эу И а л, лг л,>аг аоод та аарр вши Л,Я л л л~ тлэ Рис. 5.33. Зависимость коэффипиента пропускания света системой от длины волны до (кривая 1) и после просветления двухслойной (кривая 2), трехслойной (кривая 3) пленками Рис. 5.34. Увеличение отражения света от стекла диэлектрической нленкой (л)лэ) оптической толщины п1=Л/4 Рнс.
5.35. Схема многослойного отражаяэщего диэлектрического покрытия пускания для света, проще)(щего сложную систему с 44 преломляющими поверхностями, от длины волны. Применениедвухслойной пленки позволило резко увеличить пропускание света лишь в центральной области видимого спектра (Л т 5500 А), тогда как трехслойная пленка обеспечила высокое пропускание света в широкой области спектра, приз чем резко уменьшилось количество рассеянного света. 2. Получение высокоотражающих интерференционных слоев. При и ) и, пленка с оптической толщиной п/ = Л/4, нанесенная на оптическую поверхность, будет увеличивать коэффициент отражения.
Действительно, в этом случае потеря полуволны происходит лишь на передней поверхности пленки и обе волны (рис. 5.34) усилят одна другую, так как разность хода составит Л/4+ Л/4 + Л/2 = Л. Но добиться высоких коэффициентов отражения (Я) 30%) таким образом практически невозможно. Эффект можно значительно усилить, если перейти от интерференции двух лучей к многолучевой интерференции. В этом случае интерференционные максимумы окажутся более острыми и их интенсивность (/панс) резко возрастет (см.
$ 5.9). Для получения таких высокоотражающих интерференционных слоев применяют следующую методику. На стекло наносят ряд пленок с одинаковой оптической толщиной (п111 = Л/4), но,'разными показателями преломления; между двумя слоями диэлектрика с большим 172 показате)гем преломления и, помещают слой диэлектрика с малым показателем преломления и, (рис. 5.35). Так, например, часто используют комбинацию сульфида цйнка (и, ж 2,3) и фторида лития (па ж 1,3). Нетрудно заметить, что в этом случае все отраженные волны синфазны и усиливают друг друга.
Для некоторой области длин волн, близкой к Хе (удовлетворяющей услови|о пх(т = л,1, = Хо/4), мы получим максимумы, ширина которых тем меньше, чем больше число интерферирующих! пучков. Так, например, если нанести семь слоев, то легко добитг,ся коэффициента отражения Я ж 90% в области шириной около 500 А. Для получения Я ж,'99% (такие коэффициенты отражения необходимы в лазерной технике) надо нанести 11 — 13 слоев. и рр 43 уа и моо урра ааоо гооа вооогооа х,ел Рис. 3,36. Коэффициент отражения стек- Рис.
3.37. Схема мнола с виданным многослойным покрытием гослойного поляриэа- как функция длины волны тора Следует, конечно, учитывать, что подобные интерференционные зеркала отражают в довольно узкой спектральной области, и чем больше коэффициент отражения, тем уже область длин волн ЛХ, внутри которой реализуется такое значение Я (рис. 5.36). Диэлектрические интерференционные слои обычно получают испарением соответствующих веществ в вакууме. Методика нанесения слоев и контроля их толщины описана в ряде руководств. И.
В. Гребенщиков и его ученики показали, что эффективным оказывается также химический метод, позволяющий получать очень прочные стойкие диэлектрические слои при последовательном нанесении на стекло дозированных количеств растворов легко гидролизующихся соединений, что и используется для просветления оптики и для создания высоко- отражающих покрытий. Упомянем здесь также о превосходных поляризаторах света, которые можно изготовить для любой области спектра. Многослойный поляризатор представляет собой систему из двух склеенных прямоугольных призм.
На гипотенузную грань призмы наносят чередующиеся слои с высоким и низким показателями преломления (рис. 5.37). Свет, падающий на систему слоев под углом Брюстера, разделяется на два пучка — отраженный и проходящий,— поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. В отраженном свете интенсивность колебаний светового вектора, перпендикулярных плоскости падения, быстро растет и с увеличением числа слоев приближается к единице (Я „т 1).
Составляющая, расположенная в плоскости падения, уменьшается или исчезает (Яа = О). В проходящем свете (при отсутствии поглощения) выполняется обратное соотношение. В идеальном интерференционном поляризаторе 173 о~Ил н ппый и проходящий пучки поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях при !00ае-ной степени поляризации каждого нз ннх. Практические возможности при использовании чередующихся слоев двуокиси титана, двуокиси тория или двуокиси кремния позволяют создать интерференционные поляризаторы по этой схеме. Такие поляризаторы были.
получены для различных участков спектра в области от 2000 до 8000 А. Они обеспечивают получение света высокой степени поляризации и обладают способностью избирательно поляризовать свет в спектральном интервале шириной около 0,3 А. На краях интервала степень поляризации понижается. С помощью 9 — 13 чередующихся слоев были изготовлены поляризующие призмы для различных участков видимой и (что особенно важно) ультрафиолетовой частей спектра. Материалом служили плавленый кварц или оптические стекла с разным показателем преломления. Степень поляризации составляла 99,2 — 99,4% при пропускании 40 — 46% света.е При решении различных задач приходится применять те или иные комбинации слоев, отклоняясь от простейшей схемы, изложенной выше. Так, например, условие и ( = Ха/4 заменяется другими, более сложными соотношениями, получаемыми путем трудоемких расчетов и экспериментальных оценок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
