на каком принципе работает большинство интерференционных приборов
Принцип работы интерферометрических систем
Принцип интерферометрии
Введение
Наиболее распространённый в интерферометрии инструмент – интерферометр Майкельсона – изобрёл в 1887 году Альберт Абрахам Майкельсон – первый американец, удостоенный Нобелевской премии за научные достижения. Он предложил систему из зеркал и полупрозрачных зеркал (светоделителей) для сведения расщеплённых лучей света, поступающих из одного и того же источника. Лазерная интерферометрия является признанным методом измерения расстояний с высокой точностью.
Основные принципы
Как правило, одиночный входящий луч от источника когерентного света с помощью интерферометра Майкельсона расщепляется на два идентичных луча. Каждый из данных лучей проходит различный путь, называемый траекторией, и перед попаданием в детектор они сводятся вместе. Разность в расстоянии, пройденным каждым лучом, создаёт разность фаз между ними. Именно введённая разность фаз создаёт между первоначально идентичными волнами интерференционный узор, который определяется на детекторе. Если одиночный луч разделён вдоль двух траекторий (измеряемой и опорной), то разность фаз будет указывать на какой-либо фактор, который изменяет фазу вдоль данных траекторий. Это может быть физическое изменение длины самой траектории или изменение коэффициента преломления среды, через которую проходит луч.
Интерферометрия Майкельсона
Пучок лазерного излучения (1) выходит из лазерного источника и расщепляется на два пучка (опорный (2) и измерительный (3)) на интерферометре. Данные пучки отражаются от двух ретрорефлекторов и сводятся вместе на интерферометре перед детектором.
Использование ретрорефлекторов обеспечивает параллельность плеч опорного и измерительного пучков при их сведении на интерферометре. Сведённые лучи достигают детектора, где они или усиливаются, или ослабляются. Во время усиливающей интерференции два луча совпадают по фазе и вершины обоих лучей усиливают друг друга, что приводит к возникновению светлой интерференционной полосы, а во время ослабляющей интерференции лучи не совпадают по фазе и вершины одного луча гасятся впадинами второго луча, что приводит к возникновению темной интерференционной полосы.
Обработка сигнала
Обработка оптического сигнала в детекторе позволяет наблюдать интерференцию этих двух лучей. Смещение измерительного пучка вызывает изменение относительной фазы двух пучков. Данный цикл усиливающей и ослабляющей интерференции приводит к циклическому изменению интенсивности сведённого луча. Один цикл изменения интенсивности от светлой к тёмной и к светлой полосе происходит каждый раз, когда измерительный пучок / ретрорефлектор (3) перемещается на половину длины волны лазера.
Точность системы
Точность линейных позиционных измерений зависит от того, с какой точностью определена длина волны лазерного излучения. Рабочая длина волны лазерного излучения зависит от коэффициента преломления воздуха, через который проходит луч, а коэффициент преломления изменяется в зависимости от температуры воздуха, давления воздуха и относительной влажности. Поэтому длину волны необходимо изменять, чтобы компенсировать любые изменения данных параметров.
Системы RLE
Система RLE представляет собой уникальную современную когерентную лазерную интерферометрическую систему, специально предназначенную для обеспечения обратной связи по положению. Каждая система RLE состоит из лазерного блока RLU и одной или двух детекторных головок RLD10, модель которых зависит от требований конкретной системы.
Интерферометры и их применение
Характеристика интерферометров разных типов, которые различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Ультразвуковой и звездный интерферометр. Область применения интерферометра Жамена, Рэлея.
Курсовая работа по физике
Раздел: Физика колебаний и волн. Оптика.
Тема: Интерферометры и их применение
II. Физические основы явления
1. Краткая историческая справка
2. Физическая природа явления
III. Некоторые виды интерферометров и их области применения
1. Ультразвуковой интерферометр
2. Интерферометр Жамена
3. Звёздный интерферометр
4. Интерферометр интенсивности
5. Интерферометр Майкельсона
6. Интерферометр Рождественского
7. Интерферометр Рэлея
V. Список литературы
II. Физические основы явления
1. Краткая историческая справка
В 1881 г. Американский физик Альберт Майкельсон впервые попытался обнаружить эфирный ветер при помощи изобретенного им интерферометра. Вывод автора гласил: «Эти результаты можно интерпретировать как отсутствие смещения интерференционных полос. Результат гипотезы стационарного эфира, таким образом, оказывается неверным, откуда следует вывод, что эта гипотеза ошибочна. Этот вывод прямо противоречит объяснению явления аберрации, которое везде используется и которое предполагает, что Земля движется сквозь эфир, а последний остается в покое».
1887 г. А. Майкельсон и Эдвард В. Морли повторили опыт Майкельсона с более совершенной аппаратурой (была увеличена длина оптических путей, и значительно уменьшены всевозможные помехи). Вывод авторов: «…ожидалось смещение 0.4 полосы. Действительное же смещение было, конечно, меньше, чем 1/20, а возможно, что и меньше, чем 1/40 часть. Но поскольку смещение пропорционально квадрату скорости, то относительная скорость Земли и эфира, возможно, меньше, чем 1/6 орбитальной скорости Земли, и уж конечно меньше, чем 1/4»
1905 г. Э. Морли и Дайтон К. Миллер провели эксперимент с целью проверки влияния материала на величину сокращения Лоренца-Фицжеральда. Сравнивались эффекты в интерферометрах с базой из песчаника и из дерева. Вывод авторов: «Поэтому мы могли декларировать, что эксперимент показал: если имеется некоторый эффект природного происхождения, он составляет не более сотой части вычисленного значения. Если, как предполагалось, сосна подвержена воздействиям, то степень воздействия та же, что и на песчаник. Если эфир около аппарата не движется вместе с ним, а различие в скорости меньше, чем 3.5 км/с, значит, эффект воздействия на материал аннулирует искомый эффект. Можно думать, что проведенный эксперимент доказал лишь, что в спокойной подвальной комнате эфир увлекается вместе с ней. Поэтому мы хотим поднять место размещения аппарата на холм, закрыть его только лишь прозрачным покрытием с тем, чтобы посмотреть, не будет ли обнаружен какой-либо эффект».
1905 г. осень. «…Морли и Миллер перенесли интерферометр из подвального помещения лаборатории на Евклидовы высоты близ Кливленда, на высоту приблизительно 300 футов над озером Эри, в место, свободное от всяких преград и построек. Было проделано пять серий наблюдений (1905-1906 гг.), которые дали определенный положительный эффект, составляющий приблизительно 1/10 ожидаемого ветра. Существовало подозрение, что это могло быть вызвано влиянием температуры, хотя прямых указаний на это не было».
1921 г. Д. К. Миллер. Интерферометр располагался в обсерватории Маунт Вильсон (1860 м. Над уровнем моря). «Самые первые наблюдения, проделанные в марте 1921 г., дали положительный эффект, соответствующий реальному эфирному ветру, как если бы он был обусловлен относительным движением Земли и эфира со скоростью около 10 км/с. Однако прежде чем опубликовать этот результат, представлялось необходимым изучить все возможные причины, которые могли бы вызвать эффект, подобный эфирному ветру. Эти возможные причины могли бы сводиться к магнитным деформациям стальной рамы интерферометра и влияниям теплоты излучения. В целях полного устранения влияния теплоты излучения металлические части интерферометра были совершенно закрыты слоем пробки толщиной около одного дюйма. Пятьдесят серий наблюдений, сделанных при этих условиях, обнаружили периодическое смещение полос, совпадающее с прежними наблюдениями». Затем основание прибора было сделано из бетона. «Результаты с таким немагнитным интерферометром дали положительный эффект, соответствующий эфирному ветру точно такой же скорости и направления, какие были получены в апреле 1921 г. Были опробованы многочисленные вариации условий опыта. Наблюдения проводились при вращении интерферометра по часовой стрелке и против нее, при быстром (1 оборот за 40 секунд) и при медленном вращении (1 оборот за 85 секунд), с тяжелым грузом, положенным на кронштейн трубы, а затем на кронштейн лампы, с поплавком высоко поднятым над уровнем ртути вследствие того, что сначала нагружался один квадрат, а потом другой. Ассистент, записывающий наблюдения, ходил вокруг или же стоял в различных частях помещения, далеко от аппарата или же близко к нему. На результаты наблюдений ни одна из этих вариаций не оказывала никакого влияния. Затем весь аппарат был перенесен обратно в Кливленд. В течение 1922 и 1923 гг. было проведено множество испытаний при разнообразных условиях, доступных контролю, и с различными видоизменениями в расположении частей аппарата». Миллером были так же исследованы влияния температурных изменений. «Данная серия опытов была проделана с целью изучить влияние непостоянства температуры в помещении интерферометра и влияние теплоты излучения, падающего на интерферометр. При этом использовалось несколько электрических нагревателей, устроенных таким образом, что нагревающая спираль была расположена в фокусе вогнутого зеркала. Непостоянство температуры вызывало медленное, но постепенное смещение системы полос в одну сторону, но не вызывало периодического смещения. Даже тогда, когда два нагревателя были расположены на расстоянии трех футов от интерферометра, находившегося во вращении, и посылали тепло непосредственно к непокрытой стальной раме, измеримого периодического смещения полос не наблюдалось. Когда же нагреватели были обращены к путям световых лучей, закрытых стеклом, периодический эффект наблюдался, но только тогда, когда стекло было покрыто непрозрачным материалом, и притом весьма несимметричным образом, когда, например, одно плечо было совершенно защищено картоном, а другое не защищено. Эти опыты показали, что при тех условиях, при каких в действительности проводится опыт, периодическое смещение полос не может быть вызвано влиянием температуры».
2. Физическая природа явления
Так как именно на использовании интерференции света основано действие интерферометров, то можно уделить небольшое внимание этому явлению.
III. Некоторые виды интерферометров и их области применения
1. Ультразвуковой интерферометр
На некотором расстоянии l от пьезопреобразователя расположен плоский рефлектор 5, от которого отражается ультразвуковая волна и который может перемещаться вдоль направления распространения ультразвука.
Плоскости рефлектора и пьезопреобразователя устанавливаются строго параллельно друг к другу. Акустическое поле в камере интерферометра рассматривается как поле плоских волн, многократно отраженных от рефлектора и поверхности преобразователя.
Это справедливо при условии равномерного распределения амплитуд и фаз скорости по поверхности преобразователя, пренебрежимо малого влиянии стенок акустической камеры, а также при условии, что поперечные размеры преобразователя и рефлектора значительно больше длины волны ультразвука.
Основным источником систематических погрешностей является отличие реальных условий измерений от условий, отвечающих распространению плоской волны вдоль оси камеры: при несоблюдении условия малости длины волны относительно размеров камеры, преобразователя и рефлектора в интерферометре возникают дифракционные эффекты, искажающие результаты измерений; при не параллельности рефлектора и преобразователя, а также при неравномерности распределения амплитуд и фаз колебательной скорости по поверхности преобразователя на кривой реакции возникают дополнительные экстремумы (сателлиты), искажается форма огибающей кривой реакции, и изменяются интервалы между основными экстремумами. Для исключения дифракционных погрешностей необходимо вводить поправки, корректный расчет которых может быть выполнен численными методами.
2. Интерферометр Жамена
3. Звёздный интерферометр
4. Интерферометр интенсивности
Светоприёмником служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с малой инерционностью
1 нс. Флуктуации тока I (t) обоих ФЭУ, обусловленные шумовым характером света, перемножаются в корреляторе.
где черта означает усреднение по времени, является мерой углового размера источника. Для равномерно светящегося диска коэффициент корреляции связан с угловым размером и соотношением
Достоинством Интерферометра интенсивности является его малая чувствительность к флуктуациям разности фаз, вызванных механическими вибрациями, атмосферной турбулентностью, нестабильностью частоты гетеродина (в радиоинтерферометре) и т. д. Однако при наличии внешних помех (фон, шумы приёмника, квантовый шум) чувствительность интерферометра интенсивности по потоку излучения снижается в большей степени, чем чувствительность обычного фазового интерферометра, потому интерферометр интенсивности используют только для ярких источников. Из-за отсутствия информации о фазе Интерферометра интенсивности не даёт комплексного спектра пространственных частот, необходимого для получения изображения.
Интерферометра интенсивности позволяет оценивать корреляционные функции 4-го порядка и по ним судить о статистике поля, что находит применение в лазерной физике и при исследовании сверхкоротких световых импульсов.
5. Интерферометр Майкельсона
Интерферометр Майкельсона является одной из наиболее распространенных скелетных схем интерферометра, предназначенной для различных применений в случае, когда пространственное совмещение объектов, порождающих интерферирующие волны, невозможно или в силу каких-то причин нежелательно.
Схематическое изображение конструкции интерферометра Майкельсона представлено на (рис. 6.).
Рис. 6. Схематическое изображение конструкции интерферометра Майкельсона
Рис. 7. Волновые фронты пучков, образующих интерференционную картину
В таком случае на экране освещенность будет однородной, что и означает идеальную юстировку интерферометра.
Все указанные изменения наблюдаемой картины наступают при весьма малых (десятые доли длины волны по пространственному позиционированию и высоте неровностей зеркал, и десятки микрорадиан по угловой юстировке) отклонениях юстировочных параметров от идеала. Если учесть это, становится ясным, что интерферометр Майкельсона представляет собой весьма точное устройство для контроля позиционирования объекта в пространстве, его угловой юстировки и плоскостности. Специальные методы точного измерения распределения интенсивности в плоскости экрана позволяют повысить точность позиционирования до единиц нанометров.
Техническая реализация осуществляется в полном соответствии с рис. 6 содержательной части. Лазерный пучок гелий-неонового лазера (для наглядности лучше его расширить телескопом до диаметра миллиметров 10-15) делится полупрозрачным зеркалом на два, отражается от двух плоских зеркал, и получается некая интерференционая картина на экране. Затем путем аккуратной юстировки длин плеч и углового положения зеркал добиваются исчезновения интерференционной картины в области перекрытия пучков на экране.
Применения интерферометра Майкельсона в технике весьма разнообразны. К примеру, он может быть использован для дистанционного контроля малых деформаций (отклонений от плоскостности) объекта (заменяющего собой одно из зеркал рис. 6). Такой подход весьма удобен когда по тем или иным причинам нежелательно близкое расположение объекта и эталонной поверхности (второго зеркала рис. 6). Например, объект сильно нагрет, химически агрессивен и тому подобное.
Но самое существенное техническое применение интерферометра Майкельсона состоит в использовании этой схемы в оптических гироскопах, основанных на эффекте Саньяка, для контроля сдвига интерференционной полосы, порожденного вращением.
6. Интерферометр Рождественского
Поскольку д не зависит от положения лучей на зеркалах и определяется лишь углами падения, интерференционная картина будет локализована на бесконечности (или в фокальной плоскости объектива О). Параллельному пучку лучей, падающих на Интерферометр Рождественского, соответствует одна точка интерференционно картины, и, следовательно, для наблюдения всей картины необходим пучок конечной апертуры. Вид картины (порядок и ширина полос, их ориентация) зависит от наклона зеркал M1 и M2. Если, например, ребро двугранного угла, образованного M1 и M2, вертикально (перпендикулярно чертежу), то даже при очень малой разности (i1-i2) полосы сравнительно высокого порядка (D велико) вертикальны и почти параллельны.
Введение неоднородностей приводит к появлению полос, форма которых соответствует кривым разных значений показателя преломления.
7. Интерферометр Рэлея
Функция пропускания Т, а следовательно, и распределения интенсивности имеет осциллирующий характер с резкими максимумами интенсивности (рис. 13), положение которых определяется из условия
Интерферометры Фабри-Перо широко применяются в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасных областях спектра при исследовании тонкой и сверхтонкой структуры спектральных линий, для исследования модовой структуры излучения лазеров и т. п. Интерферометр Фабри-Перо также используется как резонатор в лазерах.
В ходе курсовой работы, было проведено ознакомление с интерферометрами разных типов, которые основаны на явлении интерференции света.
Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Интерферометры получили широкое применение, благодаря им производится измерение угловых размеров звезд и угловых расстояний между звездами, измерение показателей преломления газов и жидкостей, а также определение концентрации примесей в воздухе. Интерферометры используются для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей и тому подобное. Изобретение интерферометров внесло большой вклад в развитие астрономии и оптики.
V. Список литературы
3. Захарьевский А.Н. «Интерферометры» 1952.
4. Оптика 5 изд. 1976 (общий курс физики)
5. Коломийцев Ю.В. «Интерферометры», Л., 1976
6. Жакино П., Последние достижения интерференционной спектроскопии, «Успехи физических наук», 1962
7. Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., M., 1957 (Общий курс физики, т. 3)
8. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.
Подобные документы
Принцип действия интерферометра; его виды: звуковые и электромагнитные. Назначение интерферометров Майкельсона и Рэлея. Дискретная конструкция измерительного прибора Маха-Цендера. Особенности применения электрооптических модуляторов в интегральной оптике.
презентация [5,5 M], добавлен 02.11.2014
курсовая работа [816,6 K], добавлен 07.12.2015
Зависимость показателя преломления газов от их плотности. Устройство интерферометра, основанного на дифракции Фраунгофера на двух щелях. Измерение показателя преломления газов помощью интерферометра Рэлея, наблюдение интерференционных полос в белом свете.
лабораторная работа [594,8 K], добавлен 02.03.2011
Принцип действия адаптивного интерферометра. Фоторефрактивный эффект. Ортогональная геометрия взаимодействия световых волн в фоторефрактивном кристалле. Исследование системы регистрации малых колебаний микрообъектов на основе адаптивного интерферометра.
курсовая работа [4,5 M], добавлен 04.05.2011
Интерференция волн и колебания. Изучение принципа работы адаптивного интерферометра на попутных пучках. Исследование взаимодействия сигнального светового пучка, с использованием горизонтальной поляризации. Измерения фазовой интерференционной картины.
курсовая работа [505,8 K], добавлен 08.03.2016
Понятие и обоснование явления интерференции как перераспределения энергии в пространстве при сложении двух или более волн. Оптическая разность хода и ее связь с разностью фаз. Методы получения когерентных волн. Интерференция в немонохроматическом свете.
презентация [145,1 K], добавлен 17.01.2014
Кольца Ньютона как классический пример полос равной толщины. Прецизионные измерения малых линейных размеров и показателей преломления прозрачных сред. Основные сферы применения интерферометров. Интерференционный дилатометр Физо-Аббе, его особенности.
доклад [22,2 K], добавлен 11.04.2013
Оптический диапазон длин волн. Показатель преломления среды. Вектор напряженности электрического поля, его модуль амплитуды. Связь оптических свойств вещества с его электрическими свойствами. Интерференция световых волн. Сложение когерентных волн.
презентация [131,6 K], добавлен 24.09.2013
реферат [446,0 K], добавлен 01.06.2015
Понятие электромагнитных волн, их сущность и особенности, история открытия и исследования, значение в жизни человека. Виды электромагнитных волн, их отличительные черты. Сферы применения электромагнитных волн в быту, их воздействие на организм человека.
реферат [776,4 K], добавлен 25.02.2009
Назначение лазерного интерферометра
Такие устройства активно применяют в науке и промышленности. Лазерные интерферометры используются для проверки точности станков, КИМ и других систем.
На каком принципе основана работа устройства?
Пучок лазерного излучения (1) выходит из лазерного источника и расщепляется на два пучка (опорный (2) и измерительный (3)) на интерферометре. Данные пучки отражаются от двух ретрорефлекторов и сводятся вместе на интерферометре перед детектором.
Использование ретрорефлекторов обеспечивает параллельность плеч опорного и измерительного пучков при их сведении на интерферометре. Сведённые лучи достигают детектора, где они или усиливаются, или ослабляются. Во время усиливающей интерференции два луча совпадают по фазе, и пики обоих лучей усиливают друг друга, что приводит к возникновению светлой интерференционной полосы, а во время ослабляющей интерференции лучи не совпадают по фазе, и пики одного луча гасятся впадинами второго луча, что приводит к возникновению тёмной интерференционной полосы.
Основные преимущества лазерных интерферометров
Интерферометр обладает следующими преимуществами:
высокая точность измерений;
простота в эксплуатации;
большой выбор измерений;
высокая скорость измерений;
компактность и портативность.
Без таких приборов не обходятся метрологические отделы, отделы механиков, лаборатории, оптические производства, учебные, научные и исследовательские центры. Это уникальное и современное оборудование, с помощью которого можно получить точные результаты измерений.
Автор статьи: Ермакова Анна,
менеджер по развитию компании ООО «Линкс-Раша».
Контакты для связи:
8 (8332) 216-888
eal@links-russia.ru
https://vk.com/annaermakova79
На каком принципе работает большинство интерференционных приборов
Необходимы более веские доказательства того, что свет при распространении ведет себя как волна. Любому волновому движению присущи явления интерференции и дифракции. Для того чтобы быть уверенным в том, что свет имеет волновую природу, необходимо найти экспериментальные доказательства интерференции и дифракции света.
Сложение волн. Очень часто в среде одновременно распространяется несколько различных волн. Например, когда в комнате беседуют несколько человек, то звуковые волны накладываются друг на друга. Что при этом происходит?
Проще всего проследить за наложением механических волн, наблюдая волны на поверхности воды. Если мы бросим в воду два камня, создав этим две кольцевые волны, то нетрудно заметить, что каждая волна проходит сквозь другую и ведет себя в дальнейшем так, как будто бы другой волны совсем не существовало. Точно так же любое число звуковых волн может одновременно распространяться в воздухе, ничуть не мешая друг другу. Множество музыкальных инструментов в оркестре или голосов в хоре создают звуковые волны, одновременно улавливаемые нашим ухом. Причем ухо в состоянии отличить один звук от другого.
Теперь посмотрим более внимательно, что происходит в местах, где волны накладываются друг на друга. Наблюдая волны на поверхности воды от двух брошенных в воду камней, можно заметить, что некоторые участки поверхности не возмущены, в других же местах возмущение усилилось. Если две волны встречаются в одном месте гребнями, то в этом месте возмущение поверхности воды усиливается.
Если же, напротив, гребень одной волны встречается с впадиной другой, то поверхность воды не будет возмущена.
Вообще же в каждой точке среды колебания, вызванные двумя волнами, просто складываются. Результирующее смещение любой частицы среды представляет собой алгебраическую (т. е. с учетом их знаков) сумму смещений, которые происходили бы при распространении одной из волн в отсутствие другой.
Интерференция. Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией.
Выясним, при каких условиях имеет место интерференция волн. Для этого рассмотрим более подробно сложение волн, образуемых на поверхности воды.
Результат сложения волн, приходящих в точку M, зависит от разности фаз между ними. Пройдя различные расстояния d1 и d2, волны имеют разность хода Δd = d2—d1. Если разность хода равна длине волны λ, то вторая волна запаздывает по сравнению с первой ровно на один период (как раз за период волна проходит путь, равный длине волны). Следовательно, в этом случае гребни (как и впадины) обеих волн совпадают.
Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн:
Условие минимумов. Пусть теперь на отрезке Δd укладывается половина длины волны. Очевидно, что при этом вторая волна отстает от первой на половину периода. Разность фаз оказывается равной п, т. е. колебания будут происходить в противофазе. В результате сложения этих колебаний амплитуда результирующего колебания равна нулю, т. е. в рассматриваемой точке колебаний нет (рис. 121). То же самое произойдет, если на отрезке укладывается любое нечетное число полуволн.
Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн:
Когерентные волны. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и разность фаз их колебаний была постоянной.
Источники, удовлетворяющие этим условиям, называются когерентными. Когерентными называют и созданные ими волны. Только при сложении когерентных волн образуется устойчивая интерференционная картина.
Если же разность фаз колебаний источников не остается постоянной, то в любой точке среды разность фаз колебаний, возбуждаемых двумя волнами, будет меняться. Поэтому амплитуда результирующих колебаний с течением времени изменяется. В результате максимумы и минимумы перемещаются в пространстве и интерференционная картина размывается.
Распределение энергии при интерференции. Волны несут энергию. Что же с этой энергией происходит при гашении волн друг другом? Может быть, она превращается в другие формы и в минимумах интерференционной картины выделяется тепло? Ничего подобного. Наличие минимума в данной точке интерференционной картины означает, что энергия сюда не поступает совсем. Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она не распределяется равномерно по всем частицам среды, а концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает совсем.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН
Если свет представляет собой поток волн, то должно наблюдаться явление интерференции света. Однако получить интерференционную картину (чередование максимумов и минимумов освещенности) с помощью двух независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение еще одной лампочки лишь увеличивает освещенность поверхности, но не создает чередования минимумов и максимумов освещенности.
Выясним, в чем причина этого и при каких условиях можно наблюдать интерференцию света.
Условие когерентности световых волн. Причина состоит в том, что световые волны, излучаемые различными источниками, не согласованы друг с другом. Для получения же устойчивой интерференционной картины нужны согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке пространства. Напомним, что такие согласованные волны с одинаковыми длинами волн и постоянной разностью фаз называются когерентными.
Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для этого достаточно использовать хорошие светофильтры, пропускающие свет в очень узком интервале длин волн. Но невозможно осуществить Постоянство разности фаз от двух независимых источников. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн, имеющими длину около метра. И такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги волн от различных источников сдвинуты друг относительно друга по фазе. Волны от различных источников света некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остается постоянной. Никакой устойчивой картины с определенным распределением максимумов и минимумов освещенности в пространстве не наблюдается.
Интерференция в тонких пленках. Тем не менее интерференцию света удается наблюдать. Курьез состоит в том, что ее наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчета.
Вы тоже много раз видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина или нефти на поверхности воды. «Мыльный пузырь, витая в воздухе. зажигается всеми оттенками цветов, присущими окружающим предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы» (Марк Твен). Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.
Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн 1 и 2 (рис. 123), одна из которых (1) отражается от наружной поверхности пленки, а вторая (2) —от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн — сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции (усиление или ослабление результирующих колебаний) зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 отстанет от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.
Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, обеспечивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка. Цуг волн от каждого излучающего атома разделяется пленкой на два, а затем эти части сводятся вместе и интерферируют.
Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.
Кольца Ньютона. Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плоско-выпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название кольца Ньютона.
Удовлетворительно объяснить, почему возникают кольца, Ньютон не смог. Удалось это Юнгу. Проследим за ходом его рассуждений. В их основе лежит предположение о том, что свет — это волны. Рассмотрим случай, когда волна определенной длины падает почти перпендикулярно на плоско-выпуклую линзу (рис. 124). Волна 1 появляется в результате отражения от выпуклой поверхности линзы на границе стекло — воздух, а волна 2 — в результате отражения от пластины на границе воздух — стекло. Эти волны когерентны: они имеют одинаковую длину и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна 2 проходит больший путь, чем волна 1. Если вторая волна отстает от первой на целое число длин волн, то, складываясь, волны усиливают друг друга. Вызываемые ими колебания происходят в одной фазе.
Напротив, если вторая волна отстает от первой на нечетное число полуволн, то колебания, вызванные ими, будут происходить в противоположных фазах и волны гасят друг друга.
Если известен радиус кривизны R поверхности линзы, то можно вычислить, на каких расстояниях от точки соприкосновения линзы со стеклянной пластиной разности хода таковы, что волны определенной длины λ гасят друг друга. Эти расстояния и являются радиусами темных колец Ньютона. Ведь линии постоянной толщины воздушной прослойки представляют собой окружности. Измерив радиусы колец, можно вычислить длины волн.
Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но и позволяет измерить длину волны. Подобно тому как высота звука определяется его частотой, цвет света определяется частотой колебаний или длиной волны.
При переходе света из одной среды в другую длина волны изменяется. Это можно обнаружить так. Заполним водой или другой прозрачной жидкостью с показателем преломления п воздушную прослойку между линзой и пластиной. Радиусы интерференционных колец уменьшатся.
Почему это происходит? Мы знаем, что при переходе света из вакуума в какую-нибудь среду скорость света уменьшается в n раз. Так как v = λv, то при этом должна уменьшиться в n раз либо частота, либо длина волны. Но радиусы колец зависят от длины волны. Следовательно, когда свет входит в среду, изменяется в n раз именно длина волны, а не частота.
Интерференция электромагнитных волн. На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать интерференцию электромагнитных (радио) волн.
Генератор и приемник располагают друг против друга (рис. 125). Затем подводят снизу металлическую пластину в горизонтальном положении. Постепенно поднимая пластину, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.
Явление объясняется следующим образом. Часть волны из рупора генератора непосредственно попадает в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлической пластины. Меняя расположение пластины, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу длин волн или нечетному числу полуволн.
