Интерференция света в науке и технике

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

СТЕРЛИТАМАКСКИЙ ФИЛИАЛ

Физико-математический факультет

Кафедра общей и теоретической физики

Курсовая работа на тему:

Интерференция света в науке и технике

Выполнил: студент 2 курса

группа ФИЗ-21

Грибовская О. Г.

Научный руководитель:

к.ф.-м.н., доцент

Кутушева Р. М.

Стерлитамак 2015

Содержание

Введение

Глава I. Теоретическая основа интерференции света

§1.История

§2.Вывод формулы для интерференции света

Глава II. Применение интрференции света

§1.Применение интерференции света в технике

§2.Интерферометры

Заключение

Литература

Введение

В современной жизни мы сталкиваемся с явлениями, в основе которых лежит интерференция света. Интерференция - одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при определенных условиях: при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков.

При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков, и многое другое - все это проявление интерференции света.

Применение интерференции имеет широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого другого.

Цель курсовой работы: рассмотреть применение интерференции света в науке и технике, а также изучить работу приборов, основанных на ней.

Задачи:

Выяснить, что такое интерференция света, ее история открытия, области применения.

Применение интерференции света в технике; что такое интерферометры и их применение.

Глава I. Теоретическая основа интерференции света

§1. История открытия интерференции света

Первый опыт по интерференции света наблюдал Гримальди. Опыт заключался в том, что на пути солнечного света установили экран с двумя близкими отверстиями (проделанные в ставне, закрывающие окно). Получаются два конуса световых пучков. Помещая экран там, где конусы накладываются друг на друга, Гримальди заметил, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы освещалось одним пучком. Из этого Гримальди сделал вывод о том, что не всегда сложение световых лучей будет увеличивать освещенность.

Другой опыт провел английский физик Роберт Гук. Изучая цвета мыльных пленок и тонких пластин слюды, он заметил, что цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки. Гук полагал, что свет - это колебательные движения, распространяющиеся в эфире, и что эти колебания являются поперечными. Явление интерференции света объяснялась тем, что световая волна, отражаясь от верхней и нижней поверхностей, например, мыльной пленки, попадает в глаз и производит ощущение различных цветов. Но у Гука не было представления о том, что такое цвет. Поэтому он не связывал цвет с частотой колебаний или длиной волны.

Следующий важный шаг в исследовании интерференции света в тонких пленках сделал Исаак Ньютон. Нужно измерять малые толщины порядка 1/10000мм, а устройств для этого тогда не было. Обходя эту проблему, Ньютон кладет на плоскую стеклянную поверхность выпуклой стороной плоско выпуклую линзу (рис. 1). Тогда между нижней плоской и верхней выпуклой поверхностями образуется чрезвычайно тонкий слой воздуха, обнаруживающий яркие цвета; цветные кольца в белом свете и чередование одноцветных светлых и темных колец. За то, что интерференционная картина имела вид концентрических колец, она получила название колец Ньютона.

Рисунок. 1. Установка Ньютона для интерференции света.

В конце XVIII века оптическими исследованиями занялся английский ученый Томас Юнг. Он сумел объяснить с точки зрения волновой теории света. Также он впервые ввел термин «интерференция». В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S1 и S2 (рис. 2). Проходя через каждую из щелей, световой поток расширялся (вследствие дифракции), поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S1 и S2, перекрывались, образуя в области перекрытия световых пучков интерференционную картину в виде чередующихся светлых и темных полос. Юнг первым понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели S1 и S2, которые можно рассматривать как источники вторичных волн, освещались светом одного источника S.

Рисунок. 2. Опыт Юнга.

Очень много ученых исследовали это явление, но изучение интерференции света продолжается, а уже полученные знания применяются в технике.

§2. Интенсивность интерференции света

Пусть две волны одинаковой частоты накладываются друг на друга, возбуждая в некоторой точке пространства колебания одинакового направления:

,

.

Амплитуда результирующего колебания в данной точке определяется:

.

Если разность фаз возбуждаемых волнами колебаний остается постоянной во времени, то волны называются когерентными. Источники таких волн называют также когерентными.

В случае некогерентных волн непрерывно изменяется, принимая с равной вероятностью любые значения, вследствие чего среднее по времени значение равно нулю. В этом случае

.

Зная, что интенсивность света прямо пропорциональна преломлению и квадрату амплитуды , получим, что интенсивность, наблюдаемая при наложении некогерентных волн, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн в отдельности:

.(1)

В случае когерентных волн имеет постоянное во времени (но свое для каждой точки пространства) значение, так что:

.(2)

В тех точках пространства, для которых , будет превышать ; в точках, для которых , будет меньше . Таким образом, при наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других - минимумы интенсивности. это явление называется интерференцией волн. Особенно отчетливо проявляется интерференция в том случае, когда интенсивность обеих интерферирующих волн одинакова: . Тогда согласно (2) в минимумах , в максимумах же . Для некогерентных волн при том же условии получается всюду одинаковая освещенность (смотри формулу (1)).

Из сказанного вытекает, что при освещении какой-либо поверхности несколькими источниками света (например, двумя лампочками) должна, казалось бы, наблюдаться интерференционная картина с характерным для нее чередованием максимумов и минимумов интенсивности. Однако из повседневного опыта известно, что в указанном случае освещенность поверхности монотонно убывает по мере удаления от источников света и никакой интерференционной картины не наблюдается. Это объясняется тем, что естественные источники света не когерентны. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых атомами тела. Излучение отдельного атома продолжается около 10-8 секунд. За это время успевает образоваться последовательность горбов и впадин (или, как говорят, цуг волн) протяженностью примерно три метра. «Погаснув», атом через некоторое время «вспыхивает» вновь. Однако фаза нового цуга волн никак не связана с фазой предыдущего цуга. Одновременно «вспыхивает» большое количество атомов. Возбуждаемые ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. В этой волне излучение одной группы атомов через время порядка 10-8 секунд меняется излучением другой группы, причем фаза результирующей волны претерпевают случайные скачкообразные изменения.

Из сказанного выше следует, чтобы рассмотреть интерференционную картину нам необходимы когерентные источники света. Кратко, когерентностью называется согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов. Согласованность, заключается в том, что разность фаз двух колебаний остается неизменной с течением времени в данной точке пространства, заключающаяся в том что остается постоянной разность фаз колебаний, происходящих в разных точках «волновой поверхности», называется пространственной когерентностью.

Выше было выяснено, что естественные источники света не когерентны. Когерентные световые волны можно получить, разделив (с помощью отражений или преломлений) волну, изучаемую одним источником, на две части. Если заставить эти две волны пройти разные оптические пути, а потом наложить их друг на друга, наблюдается интерференция. Разность оптических длин путей, проходимых интерферирующими волнами, не должна быть очень большой, так как складывающиеся колебания должны принадлежать одному и тому же результирующему цугу волн. Если эта разность будет порядка трех метров (смотрите выше), наложатся колебания, соответствующие разным цугам, и разность фаз между ними будет непрерывно меняться хаотическим образом.

Пусть разделение на две когерентные волны происходит в точке (рисунок 3). До точки первая волна проходит в среде с показателем преломления путь , вторая волна проходит в среде с показателем преломления путь . Если в точке фаза колебания равна , то первая волна возбудит в точке колебание

,

а вторая волна - колебание

,

Рисунок. 3. Схема когерентных волн.

где и - фазовая скорость первой и второй волны. Следовательно, разность фаз колебаний, возбуждаемых волнами в точке , будет равна

.

Заменив через ( - длина волны в вакууме), выражению для разности фаз можно придать вид:

,(3)

где

(4)

- величина, равная разности оптических длин проходимых волнами путей и называемая оптической разностью хода.

Из формулы (3) видно, что если оптическая разность хода равна целому числу длин волн в вакууме:

(0, 1, 2, …),(5)

то разность фаз оказывается кратной и колебания, возбуждаемые в точке обеими волнами, будут происходить с одинаковой фазой. Следовательно, условие (5) есть условие интерференционного максимума.

Если равна полуцелому числу длин волн в вакууме:

(0, 1, 2, …), (6)

то , так что колебания в точке находятся в противофазе. Таким образом, условие (6) есть условие интерференционного минимума.

Рассмотрим две цилиндрические когерентные световые волны (рис. 4), исходящие из действительных или мнимых источников и , имеющих вид параллельных светящихся тонких нитей либо узких щелей. Область в которой эти волны перекрываются, называется полем интерференции. Во всей этой области наблюдается чередование мест с максимальной и минимальной интенсивностью света. Если в поле интерференции внести экран , то на нем будет видна интерференционная картина, которая в случае цилиндрических волн имеет вид чередующихся светлых и темных прямолинейных полос.[1]

Рисунок. 4. Схема получения интерференционной картины.

Глава II. Применение интерференции света

§1. Применение интерференции в технике

Интерференция света применяется в различных аспектах современной жизни: просветление оптики, проверка качества обработки деталей, голография, фазовые волоконно-оптические датчики и другие оптические элементы и устройства с уникальными свойствами.

Свет, проходящий через линзы, например, в фотоаппарате, теряет свою силу примерно на 4%. А таких линз в оптических аппаратах может быть очень много, так что на выходе может не быть четкого изображения, а лишь размытое пятно. Во избежание этого применяют просветление оптики, то есть создание покрытий на поверхности оптических деталей. Это один из простейших и наиболее распространенных применений интерференции света.

При прохождении через специальное покрытие, созданной на поверхности линзы, волны, отраженные от границ раздела пленка-воздух и пленка-стекло, будут складываться в противофазе и «гасить» друг друга. Для большей эффективности, необходимо уравнять амплитуды обеих отраженных волн, которое достигается подбором материала пленки.

На практике, удачно подобрав материал пленки, удается снизить коэффициент отражения поверхности в 20-100 раз по сравнению с исходной поверхностью стекла - для когерентного излучения данной длины волны.

Профессиональная аппаратура (микроскопы, бинокли и другие) стараются сделать более просветленными, делая не один, а несколько слоев различной толщины. Но и дешевые фотоаппараты и камеры современных телефонов и смартфонов имеют просветленную оптику. А из-за того, что свет, попадающий на объектив не монохроматический, то просветление таких бытовых аппаратов выполняется из расчета на наилучшее просветление в области максимальной чувствительности глаза человека.

Еще одним важным применением интерференции света является голография. Голография представляет собой «трехмерную фотографию», так как, смотря на изображенный предмет под разными углами, можно его рассмотреть с разных сторон.

С помощью явления интерференции проверяют качество обработки деталей. Это бесконтактный контроль геометрических размеров и формы деталей, а также качество отшлифованных поверхностей. Для этого чаще всего используют кольца Ньютона: если поверхность идеальная, то кольца будут иметь форму окружностей; если же есть небольшие ошибки, то кольца будут искривляться.

§2. Интерферометры

Для измерений интерференционным методом каких-либо характеристик исследуемого объекта используются специальные устройства, называемые интерферометрами. Интерферометры - это измерительные приборы, в которых используется интерференция волн. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или более число когерентных пучков, которые, проходя различные оптические пути, сводятся вместе. На месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина, вид которой зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.

Методы получения когерентных пучков в интерферометрах очень разнообразны, поэтому существует огромное число разных конструкций интерферометров. Если же классифицировать по числу интерферирующих пучков света, то интерферометры можно разбить на многолучевые и двухлучевые.

Примером двухлучевого интерферометра может служить интерферометр Майкельсона (рисунок 5). Работает он следующим образом: пучок света от источника (*), попадая на светоделительную пластину, где делится на два пучка - прошедший и отраженный - примерно одинаковой интенсивности. Пройдя некоторые расстояния, эти пучки попадают на зеркала, отражаются ими в обратных направлениях и вновь попадают на делительную пластину. Пластина снова частично отражает и частично пропускает свет, в результате чего образуется пучок света, представляющий собой смесь пучков, прошедших через разные плечи интерферометра. Этот пучок наблюдается на экране.

Рисунок. 5. Интерферометр Майкельсона.

Интерферометр Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью была впервые измерена абсолютная величина длины света, доказана независимость скорости света от движения Земли.

При замене плоских зеркал в интерферометре Майкельсона отражающими триэдрами его используют для измерения углов с точностью до 10-6 радиан. Сочетание интерферометра Майкельсона с микроскопом (микроинтерферометр В. П. Линника) позволяет по виду интерференционной картины определять величину и форму микронеровностей металлических поверхностей.

Существуют двухлучевые интерферометры для измерения показателей преломления газов и жидкостей, - интерференционные рефрактометры. Один из них - интерферометр Жамена (рисунок 6). Пучок света после отражения от передней и задней поверхностей первой пластины P1 разделяется на два пучка. Пройдя кюветы K1 и K2, пучки, отразившиеся от поверхностей P2, попадают в зрительную трубку Т. Если коэффициент преломления одной из кювет с газом или жидкостью известен, то можно определить коэффициент преломления второй кюветы с другими газом или жидкостью.

Рисунок. 6.

интерференция свет пучок

Разновидностями интерферометра Жамена являются интерферометр Маха-Цендера, где используются две полупрозрачные пластинки, и интерферометр Рождественского, где используются два зеркала. В этих интерферометрах расстояние между пучками может быть очень большим, что облегчает установку в один из них различных исследуемых объектов, поэтому они широко применяются в аэрогазодинамических исследованиях.

Точность измерения показателей преломления с помощью интерференционных рефрактометров (Жамена, Маха-Цендера, Рождественского, Рэлея) очень высока и достигает седьмого и даже восьмого десятичного знака.

Для измерения угловых размеров звезд и угловых расстояний между двойными звездами применяется звездный интерферометр Майкельсона (рисунок 7). Свет от звезды, отразившись от зеркал М1, М2, М3, М4, образуют в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину, по которой можно определить угловое расстояние через соседние максимумы. При наличии двух близких звезд, находящимися на определенном угловом расстоянии, в телескопе образуются две интерференционные картины, по разности хода волн которых можно определить угловое расстояние между ними.

Рисунок. 7. Звездный интерферометр Майкельсона.

Многолучевой интерферометр Фабри-Перо (рисунок 8) состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок P1 и P2, не обращенных друг к другу и параллельные между собой поверхности которых нанесены зеркальные покрытия с высокой (85-98%) коэффициентом отражения. Параллельный пучок света, падающий из объектива О1, в результате многократных отражений от зеркал образуется большое число когерентных пучков с постоянной разностью хода между соседними пучками. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости L объектива О2 образуется интерференционная картина, имеющая форму концентрических колец с резкими интенсивными максимумами, положение которых зависит от длины волны. Поэтому интерферометр Фабри-Перо разлагает сложное излучение в спектр.

Применяется интерферометр Фабри-Перо как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы. Специальные сканирующие интерферометры Фабри-Перо с фотоэлектрической регистрацией используются для исследования спектров видимой, инфракрасной и сантиметровой областях длин волн. Разновидностью интерферометра Фабри-Перо являются оптические резонаторы лазеров, излучающая среда которых располагается между зеркалами.

Рисунок. 8. Интерферометр Фабри-Перо.

К многолучевым интерферометрам также относятся различного рода дифракционные решетки, которые используются как интерференционные спектральные приборы.

Заключение

В повседневной жизни мы не замечаем интерференцию света, так как считаем, что так и должно быть. Хотя интерференция всегда была вокруг нас: маслянистые пятна на асфальте, крылья насекомых и птиц, мыльные пузыри, фото- и видеотехника и многое другое.

Но кроме бытового применения, также и на предприятиях интерференцию света используют: качество отполированных изделий, форма, размер деталей и многое другое.

В научной деятельности интерференция света применяется в таких областях, как оптика, астрономия, молекулярная и ядерная физика, голография и многие другие.

Для всех областей применения используют такие приборы, как интерферометры (Майкельсона, звездный Майкельсона, Жамена, Рэлея, Маха-Цендера, Рождественского, Фабри-Перо и другие), рефрактометры, лазерные резонаторы и другие.

С развитием современной науки и техники применение интерференции света приобретает все более широкое применение, так как можно бесконтактно узнать форму и размеры объекта. Причем, точность измерений будет очень высокой. А также можно воссоздать предмет по полученным данным.

Интерференция света также помогла измерить абсолютную величину длины света, доказать независимость скорости света и другое. С помощью интерференции был создан эталон метра.

Литература

Савельев И. В. Курс общей физики. Том 3. Квантовая физика (оптика, атом, ядро). М.: Наука, 1970. 528 с.

Сивухин Д. В. Курс общей физики. Том 4. Оптика. М.: 1980. 752 с.

Размещено на Allbest.ru