Лекции по физике. Оптика. Элементы квантовой механики (1083144), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Разделение света на когерентные пучки можно осуществить с помощью экранов и щелей, зеркал и преломляющих тел. Рассмотрим некоторые из этих методов.

1 . Метод Юнга

Источником света служит ярко освещенная щель S, от которой световая волна падает на две узкие щели S₁ и S₂, параллельные щели S.

Т аким образом, щели S₁ и S₂ играют роль когерентных источников. На экране Э (область ВС) наблюдается интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

2.Бипризма Френеля.

Она состоит из двух одинаковых сложенных основаниями призм. Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за призмой распространяются лучи, как бы исходящие от мнимых источников S₁ и S₂, являющихся когерентными. Таким образом, на экране Э (область ВС) наблюдается интерференционная картина.

3.3. Оптическая длина пути и разность хода

Пусть две когерентные волны (см. 3.1) создаются одним источником S, но до экрана проходят разные геометрические длины путей l₁ и l₂ в средах с абсолютными показателями преломления n₁ и n₂, соответственно (рис. 4). Тогда фазы этих волн [см. (1) и (2.9)] t - ₁= t - k₁l₁ + ₀, t - ₂= t - k₂l₁ + _0, а разность фаз

₂ -₁ = k₂l₂ - k₁l₁ = , (12)

г де ₁= /n₁, ₂= /n₂ – длины волн в средах, показатели преломления которых n₁ и n₂ соответственно,  – длина волны в вакууме.

Произведение геометрической длины пути l световой волны на абсолютный показатель преломления n называется оптической длиной пути волны.

Величину (13)

называют оптической разностью хода интерферирующих волн. С учетом этого разность фаз ₂ -₁ = . (14)

Максимальная интенсивность будет наблюдаться при ₂ -₁ =2m [см. (5)], когда

=m, , (15)

т.е. когда оптическая разность хода равна целому числу длин волн. Это условие максимума при интерференции.

Минимальная интенсивность будет наблюдаться при [см. (6)], когда

= , (16)

т.е. когда оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн (). Это условие минимума при интерференции.

3.4. Интерференция света в тонких пленках. Просветление оптики

П усть на плоскопараллельную прозрачную пленку (пластинку) с показателем преломления n и толщиной d под углом  падает плоская монохроматическая волна (для простоты рассмотрим один луч). На поверхности пленки в точке А волна частично отражается (луч 1’) и частично преломляется (луч АВ). В точке В волна также частично отражается (луч ВС) и частично преломляется (луч 2’). То же самое происходит в точке С. Причем преломленная волна (луч 1”) накладывается на волну непосредственно отраженную от верхней поверхности (луч 1’). Эти две волны когерентны, если оптическая разность хода меньше длины когерентности l_ког, и в этом случае они интерферируют.

Оптическая разность хода двух волн =(AB+BC)n-(AD-/2),

где /2 – потеря полуволны при отражении луча 1’ в точке А. Используя закон преломления n₁sin = n₂sin и учитывая, что в рассматриваемом случае n₁=1, n₂=n, можно показать, что . (17)

В точке наблюдения на экране будет максимум, если m и минимум, если   (2m+1)/2 [см.(15), (16)].

Возможность уменьшения вредного отражения света вследствие интерференции в тонких пленках широко используется в современных оптических приборах. Для этого на передние поверхности линз, призм наносят тонкие пленки с показателем преломления n= и толщиной d, которая определяется из условия минимума при интерференции волн, отраженных от границ раздела сред с n₁ и n и n и n₂ 2dn=(2m+1)/2, m=0,1,2… (18)

Минимальная толщина пленки соответствует m = 0

d=/(4n).

Такая оптика получила название просветленной оптики.

3.5. Интерферометры и их применение

Явление интерференции света используется в ряде весьма точных измерительных приборов, получивших название интерферометров. Интерферометры используют для точного (порядка 10^-7 м) измерения длины тел, длины волны света, показателей преломления, для контроля чистоты обработки поверхности и др.

Лекции 4,5 Дифракция света

Это явление отклонения света от прямолинейного распространения, когда свет, огибая препятствия, заходит в область геометрической тени.

В общем случае дифракцию понимают как нарушение законов геометрической оптики, сопровождаемое интерференционными явлениями.

Природа и основные принципы дифракции могут быть установлены с помощью принципа Гюйгенса-Френеля.

4.1. Принцип Гюйгенса-Френеля

В 1678 г. Гюйгенс сформулировал правило, называемое принципом Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, является источником (центром) одной из вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени. (Напомним, что волновым фронтом называется геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t).

П усть Ф(t) – фронт волны в момент времени t (см. рис. 1). Тогда, согласно принципу Гюйгенса, фронт волны в момент времени t+t совпадает с поверхностью огибающей всех вторичных волн. Основная слабость принципа Гюйгенса в том, что он не учитывает явления интерференции вторичных волн и, следовательно, не позволяет рассчитывать амплитуды волн, распространяющихся в различных направлениях.

Этот недостаток был устранен Френелем, который в 1815 г. дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности вторичных волн и интерференции их между собой.

Дополненный Френелем принцип Гюйгенса называется принципом Гюйгенса-Френеля.

4.2. Метод зон Френеля

Расчет интерференции вторичных волн сводится к интегрированию, которое часто бывает затруднительным. Для упрощения вычислений при определении амплитуды волны в заданной точке пространства Френель предложил разбивать поверхность фронта волны на зоны (зоны Френеля) так, что волны от соседних зон приходят в точку наблюдения в противофазе и, вычитаясь, ослабляют друг друга.

Применим метод зон Френеля для расчета дифракции света.

Различают два случая дифракции света:

1. Дифракция Френеля или дифракция в сходящихся лучах, когда на препятствие падает плоская или сферическая волна, и дифракционная картина наблюдается на экране, находящемся на конечном расстоянии от него (см. 4.3).

2. Дифракция Фраунгофера или дифракция в параллельных лучах, когда на препятствие падает плоская волна, и дифракционная картина наблюдается на экране, который находится в фокальной плоскости собирающей линзы, установленной на пути прошедшего через препятствие света (см. 4.4).

4.3. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске

4.3.1. Дифракция Френеля на круглом отверстии

Сферическая волна, распространяющаяся из точечного источника монохроматического света S, встречает на своем пути экран с круглым отверстием, диаметр которого d=BC. Пусть Ф – фронт волны, который является частью поверхности сферы. Разобьем поверхность фронта на зоны Френеля (см. рис.2) так, что волны от соседних зон приходят в точку наблюдения М в противофазе. Тогда амплитуда результирующей волны в точке М

А=А₁-А₂+А₃-А₄+… А_m , (1)

г де А_i – амплитуда волны, пришедшей от i-ой зоны Френеля. Перед А_m берется знак плюс, если m – нечетное, и минус, если m – четное.

Величина А_i зависит от площади _i i-той зоны и угла _i между внешней нормалью к поверхности зоны в какой-либо точке и прямой, направленной из этой точки в точку М (см. рис. 2, где, в частности, показан угол ₃).

Можно показать, что все зоны Френеля примерно равновелики по площади. Увеличение же угла _i с ростом номера зоны приводит к уменьшению амплитуды А_i. Она уменьшается с ростом i также и вследствие увеличения расстояния от зоны до точки М. Таким образом, А₁>А₂>…> A_m. При большом числе зон можно приближенно считать, что А_i=(A_i-1+A_i+1)/2. (2)

Перепишем теперь (1) в виде

(3)

так как, согласно (2), все выражения, стоящие в скобках, равны нулю.

Можно показать, что общее число m зон Френеля, обращенное к точке М,

, (4)

где d=BC – диаметр отверстия, R=SO, L=OM (см. рис. 2),  – длина волны.

Если d = 1 см, R = L= 10 см и  = 500 нм, то m = 1000. В этом случае А_m<<A₁ и слагаемым А_m/2 в (3) можно пренебречь. Тогда, согласно (3),

А=А₁/2. (5)

Таким образом, амплитуда результирующей волны в точке М определяется как бы действием только половины центральной зоны Френеля. Ее диаметр d, как следует из (4) при m=1, R=L=10 см и =500 нм, равен 0,32 мм.

Следовательно, распространение света от S к М происходит так, будто пучок света распространяется внутри очень узкого канала вдоль SM, т.е. прямолинейно.

В этом случае круговое пятно диаметром ED (см. рис. 2) равномерно освещено, и вне его наблюдается тень. Следовательно, дифракционная картина отсутствует, когда диаметр отверстия BC = d>>.

При уменьшении диаметра отверстия до величины d 1мм число зон согласно (4) уменьшается и А_m становится сравнимым с А_1, и поэтому пренебречь слагаемым А_m/2 в (3) нельзя.

При нечетном числе зон, согласно (3),

А=А₁/2 +А_m/2 (6)

Характеристики

Список файлов лекций