Интерференция - что такое? Что такое интерференция и дифракция? Интерференция в фотоаппарате


Применение интерференции

«Физика - 11 класс»

Применения интерференции очень важны и обширны.

Существуют специальные приборы — интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции. Назначение их может быть различным: точное измерение длин световых волн, показателя преломления газов и других веществ. Имеются интерферометры специального назначения.

Проверка качества обработки поверхностей

С помощью интерференции можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до 1/10 длины волны, т. е. с точностью до 10-6 см. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной. Тогда неровности поверхности размером до 10-6 см вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани.

Просветление оптики

Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и различные другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол — линз, призм и др. Проходя через такие устройства, свет отражается от многих поверхностей. Число отражающих поверхностей в современных фотообъективах превышает 10, а в перископах подводных лодок доходит до 40.

При падении света перпендикулярно поверхности доля отраженной от нее энергии составляет 5—9% от всей энергии. Поэтому сквозь прибор часто проходит всего 10—20% поступающего в него света. В результате этого освещенность изображения получается слабой. Кроме того, ухудшается качество изображения.

Часть светового пучка после многократного отражения от внутренних поверхностей все же проходит через оптический прибор, но рассеивается и уже не участвует в создании четкого изображения. На фотографических изображениях по этой причине образуется «вуаль». Для устранения этих неприятных последствий отражения света от поверхностей оптических стекол надо уменьшить долю отражаемой энергии света. Получаемое с помощью прибора изображение становится при этом ярче, просветляется. Отсюда и происходит термин просветление оптики.

Просветление оптики основано на явлении интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления nп, меньшим показателя преломления стекла nс. Для простоты рассмотрим случай нормального падения света на пленку.

Для упрощения понимания на рисунке показан ход луча, падающего на поверхность раздела под небольшим углом α, однако все вычисления делаем для α = 0.

Разность хода световых волн 1 и 2, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки, равна удвоенной толщине пленки 2h. Длина волны λп в пленке меньше длины волны λ в вакууме в nп раз:

Для того чтобы волны 1 и 2 ослабляли друг другаб разность хода должна быть равна половине длины волны в пленке:

Если амплитуды обеих отраженных волн одинаковы или очень близки друг к другу, то гашение света будет полным. Чтобы добиться этого, подбирают соответствующим образом показатель преломления пленки, так как интенсивность отраженного света определяется отношением коэффициентов преломления двух граничащих сред.

На линзу при обычных условиях падает белый свет. Требуемая толщина пленки зависит от длины волны. Поэтому осуществить гашение отраженных волн всех частот невозможно. Толщину пленки подбирают так, чтобы добиться полного гашения при нормальном падении для длин волн средней части спектра (зеленый цвет, λз ≈ 5,5 • 10-5 см). Она должна быть равна четверти длины волны в пленке:

Отражение света для крайних участков спектра - красного и фиолетового — будет несколько меньшим. Поэтому объектив с просветленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок.

Сейчас даже простые дешевые фотоаппараты снабжены просветленной оптикой.

Гашение света светом не означает превращение световой энергии в другие формы. Как и при интерференции механических волн, гашение волн друг другом в данной области пространства означает, что световая энергия сюда просто не поступает. Гашение отраженных волн у объективов с просветленной оптикой приводит к тому, что весь свет проходит сквозь объектив.

Источник: «Физика - 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Световые волны. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

Оптика --- Скорость света --- Принцип Гюйгенса. Закон отражения света --- Закон преломления света --- Полное отражение --- Линза --- Построение изображения в линзе --- Формула тонкой линзы. Увеличение линзы --- Примеры решения задач. Геометрическая оптика --- Дисперсия света --- Интерференция механических волн --- Интерференция света --- Некоторые применения интерференции --- Дифракция механических волн --- Дифракция света --- Дифракционная решетка --- Поперечность световых волн. Поляризация света --- Поперечность световых волн и электромагнитная теория света --- Примеры решения задач. Волновая оптика --- Краткие итоги главы

Устали? - Отдыхаем!

Вверх

class-fizika.ru

Применение интерференции, интерференция в тонкой пленке

Сегодня мы расскажем о применении интерференции в науке и повседневной жизни, раскроем физический смысл этого явления и поведаем об истории его открытия.

Определения и распределения

Прежде чем говорить о значимости того или иного феномена в природе и технике, для начала необходимо дать определение. Сегодня мы рассматриваем явление, которое школьники изучают на уроках физики. Поэтому до описания практического применения интерференции обратимся к учебнику.

Для начала необходимо отметить, что это явление относится ко всем видам волн: к тем, что возникают на поверхности воды или при исследовании. Итак, интерференция – это увеличение или урезание амплитуды двух и более когерентных волн, которое возникает, если они встречаются в одной точке пространства. Максимумы в таком случае называются пучностями, а минимумы – узлами. В этом определении фигурируют некоторые свойства колебательных процессов, которые мы раскроем чуть позже.

Картина, которая получается в результате наложения волн друг на друга (а их может быть и очень много) зависит только от разности фаз, в которой колебания приходят в одну точку пространства.

Свет – это тоже волна

К такому выводу ученые пришли уже в шестнадцатом веке. Основы оптики как науки заложил всемирно известный английский ученый Исаак Ньютон. Именно он впервые осознал, что свет состоит из неких элементов, от количества которых зависит его цвет. Ученый открыл явление дисперсии и рефракции. И он первым наблюдал интерференцию света на линзах. Ньютон изучал такие свойства лучей, как угол преломления в разных средах, двойное преломление, поляризация. Ему принадлежит заслуга первого применения интерференции волн на благо человечества. И именно Ньютон понял, что не будь свет колебанием, он бы не проявлял все эти характеристики.

Свойства света

К волновым свойствам света относятся:

  1. Длина волны. Это расстояние между двумя соседними максимумами одного колебания. Именно длина волны определяет цвет и энергию видимого излучения.
  2. Частота. Это количество полных волн, которые могут произойти за одну секунду. Величина выражается в Герцах и обратно пропорциональная длине волны.
  3. Амплитуда. Это «высота» или «глубина» колебания. Величина напрямую изменяется при интерференции двух колебаний. Амплитуда показывает, насколько сильно возмутилось электромагнитное поле, чтобы породить именно эту волну. Еще она задает напряженность поля.
  4. Фаза волны. Это та часть колебания, которая достигается в данный момент времени. Если две волны встретились в одной точке при интерференции, то их разница фаз будет выражаться в единицах π.
  5. Когерентными называют электромагнитные излучения с одинаковыми характеристиками. Когерентность двух волн подразумевает постоянство их разности фаз. Природных источников такого излучения не существует, они создаются только искусственным путем.

Применение первое – научное

Сэр Исаак много и упорно трудился над свойствами света. Он наблюдал за тем, как именно пучок лучей ведет себя при встрече с призмой, цилиндром, пластиной и линзой из разных преломляющих прозрачных сред. Однажды Ньютон положил на стеклянную пластинку стеклянную же выпуклую линзу кривой поверхностью вниз и направил на конструкцию поток параллельных лучей. В результате из центра линзы расходились радиально яркие и темные кольца. Ученый сразу догадался, что такое явление может наблюдаться, только если в свете есть какое-то периодическое свойство, которое где-то гасит пучок, а где-то, наоборот, усиливает его. Так как расстояние между кольцами зависело от кривизны линзы, то Ньютон смог приблизительно посчитать длину волны колебания. Таким образом, английский ученый впервые нашел конкретное применение явлению интерференции.

Интерференция на щели

Дальнейшие исследования свойств света требовали постановки и проведения новых опытов. Сначала ученые научились создавать когерентные пучки из достаточно разнородных источников. Для этого поток от лампы, свечи или солнца делился на два с помощью оптических приспособлений. Например, когда луч падает на стеклянную пластинку под углом 45 градусов, то часть его преломляется и проходит дальше, а часть отражается. Если с помощью линз и призм сделать эти потоки параллельными, разность фаз в них будет постоянной. А чтобы в опытах свет не исходил веером из точечного источника, пучок делали параллельным с помощью близкофокусной линзы.

Когда ученые научились всем этим манипуляциям со светом, они стали изучать явление интерференции на разнообразных отверстиях, в том числе на узкой щели или ряде щелей.

Интерференция и дифракция

Описанный выше опыт стал возможен благодаря другому свойству света – дифракции. Преодолевая препятствие достаточно маленькое, чтобы сравниться с длиной волны, колебание способно изменить направление своего распространения. Благодаря этому после узкой щели часть пучка меняет направление распространения и взаимодействует с лучами, которые не меняли угла наклона. Поэтому применения интерференции и дифракции невозможно отделить друг от друга.

Модели и реальность

До этого момента мы пользовались моделью идеального мира, в котором все пучки света параллельны друг другу и когерентны. Также в простейшем описании интерференции подразумевается то, что всегда встречаются излучения с одинаковыми длинами волн. Но в реальности все не так: свет чаще всего белый, он состоит из всех электромагнитных колебаний, которые предоставляет Солнце. А значит, интерференция происходит по более сложным законам.

Тонкие пленки

Самый наглядный пример такого рода взаимодействия света – это падение пучка света на тонкую пленку. Когда в городской луже есть капля бензина, поверхность переливается всеми цветами радуги. И это следствие именно интерференции.

Свет падает на поверхность пленки, преломляется, падает на границу бензина и воды, отражается, и еще раз преломляется. В итоге на выходе волна встречается сама с собой. Таким образом, гасятся все волны, кроме тех, для которых выполняется одно условие: толщина пленки кратна полуцелой длине волны. Тогда на выходе колебание будет встречаться само с собой двумя максимумами. Если же толщина покрытия равна целой длине волны, тогда на выходе произойдет наложение максимума на минимум, и излучение погасит само себя.

Из этого следует, что чем толще пленка, тем больше должна быть длина волны, которая выйдет из нее без потерь. Фактически тонкая пленка способствует выделению отдельных цветов из всего спектра и может использоваться в технике.

Фотосессии и гаджеты

Как ни странно, некоторые применения интерференции знакомы всем модницам мира.

Основная работа красивой девушки-модели – хорошо выглядеть перед камерами. К фотосессии профессионалов женщин готовит целая бригада: стилист, визажист, дизайнер одежды и интерьера, редактор журнала. Надоедливые папарацци могут подстеречь модель на улице, дома, в смешной одежде и нелепой позе, а потом выставить снимки на всеобщее обозрение. Но для всех фотографов важно хорошее оборудование. Некоторые аппараты могут стоить несколько тысяч долларов. Среди основных характеристик такого оборудования обязательно будет значиться просветление оптики. И снимки с такого аппарата будут отличаться весьма высоким качеством. Соответственно, и снятая без подготовки звезда тоже будет выглядеть не так уж и непривлекательно.

Очки, микроскопы, звезды

Основа такого явления – интерференция в тонких пленках. Это интересный и распространенный феномен. И находит интерференция света применение в технике, которую некоторые держат в руках каждый день.

Человеческий глаз лучше всего воспринимает зеленый цвет. Поэтому фотографии красивых девушек не должны содержать погрешности именно в этой области спектра. Если на поверхность камеры нанести пленку с конкретной толщиной, то такое оборудование не будет иметь бликов зеленого цвета. Если внимательный читатель когда-либо замечал такие детали, то его должно было поразить наличие только красных и фиолетовых отсветов. Такая же пленка наносится на стекла очков.

Но если речь идет не о человеческом глазе, а о бесстрастном приборе? Например, микроскоп должен зарегистрировать инфракрасный спектр, а телескоп – изучить ультрафиолетовые составляющие звезд. Тогда наносится просветляющая пленка другой толщины.

fb.ru

7. Построение изображений в линзах

На рис. 7 построено изображения точки S в собирающей линзе, на рис. 8 — в рассеивающей. При таких построениях изображают главную оптическую ось и на ней показывают фокусные расстояния F (расстояния от главных фокусов или от фокальных плоскостей до оптического центра линзы) и двойные фокусные расстояния (для собирающих линз). Затем ищут точку пересечения преломленных лучей (или их продолжений), используя любые два из вышеперечисленных.

Обычно вызывает затруднение построение изображения точки, расположенной на главной оптической оси. Для такого построения нужно взять любой луч, который будет параллелен какой-то побочной оптической оси (пунктир на рис. 9). После двойного преломления он пройдет через побочный фокус, который лежит в точке пересечения этой побочной оси и фокальной плоскости. В качестве второго луча удобно использовать луч, идущий без преломления вдоль главной оптической оси.

8. Глаз как оптический прибор. Лупа, микроскоп, фотоаппарат.

Глаз. Основным источником зрения является глазное яблоко, за зрачком находится хрусталик, а сзади сетчатка. Оптическую роль в глазе выполняет элемент, имеющий форму двояковыпуклой линзы и наз-ся хрусталиком. К краям хрусталика прикреплены мышцы, которые сжимают или растягивают хрусталик, в результате меняются радиусы кривизны сферич. пов-ти хрусталика и соответственно фокусные расстояния. При изменении расстояния d до наблюдаемого объекта, расстояние f от хрусталика до сетчатки остается неизменным, а меняется фокусное расстояние. Недостатки зрения – близорукость и дальнозоркость.

Лупой называют собирающую тонкую линзу с малым фокусным расстоянием (5-10 см).увеличение лупы: , расстояние наилучшего зрения.

Микроскоп. Простейший микроскоп состоит из 2-х линз – объектива и окуляра, закрепленных к трубочке, называемой тубусом. Изображение действительное обратное увеличенное. Увеличение микроскопа: , , где расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, называемое оптический интервал микроскопа,тубусная длина микроскопа, расстояние от объектива до окуляра. В качестве объектива и окуляра используются коротко фокусные линзы, поэтому можно считать, что. Соответственно.

Фотоаппарат. В фотоаппарате фокусное расстояние объектива не изменяется, поэтому при настраивании на далеко расположенные объекты, вращая объектив аппарата, изменяют расстояние f от объектива до пленки.

9. Интерференция света. Оптическая разность хода. Условия максимума и минимума при интерференции.

Явление интерференция – это явление усиления или ослабления амплитуды результирующей волны при наложении двух или нескольких когерентных волн.

Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627—1691 гг.) и Робертом Гуком (1635—1703 гг.). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды.

Оптическая разность хода (англ. optical distance difference, optical length difference, optical path difference) - это разность оптических длин путей световых волн, имеющих общие начальную и конечную точки. В кристаллооптике разность хода обозначается R. По определению

R = n1s1 − n2s2

В кристаллических анизотропных средах разность хода возникает из-за разных скоростей двух лучей в направлении, отличном от оптической оси.

Рассмотрим разность хода лучей, возникающую при прохождении света через зерно в шлифе.

На кристалл попадает пучок параллельных волн, перпендикулярных спилу. Поэтому угол падения равен нулю и отклонений по направлению не происходит. Поэтому выражение для R преобразуется в (d - толщина шлифа):

R = (n1 − n2)d = (ng' − np')d

Так как для исследований важна максимальная интерференционная окраска, возникающая при максимальной разности хода, то это выражение переписывается в виде

R = (ng − np)d = Δd

В последнем выражении Δ - максимальное двулучепреломление.

 Пусть разделение на две когерентные волны происходит в точке О (рис. 8.1).

      До точки Р первая волна проходит в среде с показателем расстояние, а вторая в среде с показателем преломлениярасстояние. Если в точкеО фаза колебаний (), то первая волна возбждает в точкеР колебание

 ,      а вторая    ,

      где ,– фазовые скорости первой и второй волны. Следовательно, разность фаз возбуждаемых волнами колебаний в точкеР равна:

 .

      Учитывая, что , получим выражение для разности фаз двух когерентных волн:

 ,

      где – оптическая разность хода,L – оптическая длина пути, s – геометрическая длина пути.

      Если разность хода равна целому числу длин волн в вакууме

 

,

 (8.1.3)

 

      то , и колебания, возбуждаемые в точкеР обеими волнами, будут происходить в одинаковой фазе. Следовательно, (8.1.3) является условиеминтерференционного максимума.

      Если оптическая разность хода

 

,

 (8.1.4)

 

      то , и колебания, возбуждаемые в точкеР обеими волнами, будут происходить в противофазе. Следовательно, (8.1.4) является условиеминтерференционного минимума.

studfiles.net

A. Применение интерференции — PhysBook

Применение интерференции в технике

Явление интерференции широко используют для создания различных измерительных и контролирующих устройств.

1. Существуют специальные приборы — интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции. Их назначение — точное измерение длин волн, показателей преломления, коэффициентов линейного расширения и др.

Действие всех интерферометров основано на одном и том же принципе, и интерферометры различаются лишь конструктивно. На рисунке 17.12 представлена упрощенная схема интерферометра Майкельсона.

Монохроматический пучок света от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную пластинку Р1. Сторона пластинки, удаленная от S, покрыта тонким слоем серебра с таким расчетом, что он половину светового пучка пропустит, а половину отразит (полупрозрачная пластинка), т.е. здесь луч разделяется на две части: луч 1 отражается от посеребренного слоя, луч 2 проходит через него. Луч 1 отражается от зеркала М1 и, возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку P1 (луч 1'). Луч 2 идет к зеркалу М2, отражается от него, возвращается обратно и отражается от пластинки P1 (луч 2'). Так как первый луч проходит пластинку Р1 дважды, то для компенсации возникшей разности хода на пути второго луча ставится пластинка Р2 (точно такая же, как и P1 только не покрытая слоем серебра).

Лучи 1' и 2' когерентны, следовательно, будет наблюдаться интерференция, результат которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зеркала M1 и луча 2 от точки О до зеркала М2. При перемещении одного из зеркал на расстояние \(\frac{\lambda}{4}\) разность хода обоих лучей изменится на \(\frac{\lambda}{2},\) и в интерференционной картине максимум сдвинется на место минимума, и наоборот, т.е. интерференционный максимум сдвинется на половину расстояния между полосами. Такой сдвиг полос наблюдатель отчетливо увидит. Следовательно, по незначительному смещению интерференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр для достаточно точных (-10-9 м) измерений длин (длины тел, длины световой волны, определений температурного коэффициента линейного расширения и др.).

2. Используя явление интерференции, можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до 10-6 см. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластинкой. Неровности поверхности вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней границы эталонной пластинки. На рисунке 17.13 приведены наблюдаемые интерференционные картины при отступлении от требуемой точности обработки и при достижении необходимой точности обработки плоской поверхности детали Д.

3. Просветление оптики. Отполированная поверхность стекла отражает около 4% перпендикулярно падающего на нее света. Современные оптические приборы состоят из большого числа оптических стекол — линз, призм и т.д. Поэтому общие потери света в объективе фотоаппарата составляют около 25%, в микроскопе — 50% и т.д. В результате освещенность изображения получается малой, ухудшается также качество изображения.

Часть светового пучка после многократного отражения от внутренних поверхностей все же проходит через оптический прибор, но рассеивается и уже не участвует в создании четкого изображения, а на фотографии образуется "вуаль".

Для уменьшения световых потерь на поверхность оптического стекла на-носят тонкую пленку с абсолютным показателем преломления nп, меньшим, чем абсолютный показатель преломления стекла nс (рис. 17.14). При отражении света от границ раздела воздух—пленка и пленка—стекло возникает интерференция когерентных волн 1 и 2. Толщину пленки h и показатель преломления nп подбирают так, чтобы интерферирующие волны гасили друг друга. Считая, что свет падает нормально \(~(\alpha = 0)\) и учитывая, что потеря полуволны происходит на обеих поверхностях, так как nс > nп > nвозд, будем иметь \(2n_nh = \frac{(2m + 1)\lambda}{2}\) и при \(~m = 0,\) \(2n_nh = \frac{\lambda}{2}.\) Откуда \(h = \frac{\lambda}{(4n_n)}\) В результате гашения отраженных волн происходит усиление волны, которая проходит в стекло. 

Так как обычно на поверхность стекла падает белый свет, то осуществить гашение отраженных волн всех частот невозможно. Толщину пленки подбирают так, чтобы полное гашение имело место для волн средней части спектра (зеленый цвет).

Гашение красных и фиолетовых частей спектра происходит незначительно. Поэтому объектив с просветленной оптикой имеет сиреневатый оттенок.

4. Явление интерференции используется для получения высокоотражающих покрытий. В этом случае используют тонкую пленку толщиной \(h = \frac{\lambda}{2n_n}\) из материала, абсолютный показатель преломления которого nп больше абсолютного показателя преломления стекла nп. В этом случае отражение от передней грани происходит с потерей полуволны, так как nп>nвозд, а отраженные от задней границы — без потери полуволны. В результате \(\Delta = \lambda\) и отраженные волны усилят друг друга.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 511-513.

www.physbook.ru

что такое? Что такое интерференция и дифракция?

В этой статье рассматривается такое явление физики, как интерференция: что такое, когда возникает и как применяется. Также подробно рассказывается о смежном понятии волновой физики – дифракции.

Виды волн

Когда в книге или в разговоре возникает слово «волна», то, как правило, сразу представляется море: синий простор, безмерная даль, одна за другой на берег набегают соленые валы. Житель степей представит себе другой вид: безбрежный простор травы, она колышется под ласковым ветерком. Кто-то еще вспомнит волны, рассматривая складки тяжелой портьеры или трепетание флага в солнечный день. Математик подумает о синусоиде, любитель радио – об электромагнитных колебаниях. Все они имеют различную природу и относятся к разным видам. Но неоспоримо одно: волна – это состояние отклонения от равновесия, превращения какого-то «гладкого» закона в колебательный. Именно для них применимо такое явление, как интерференция. Что такое и как она возникает, рассмотрим чуть позже. Сначала разберёмся, какими бывают волны. Перечислим следующие виды:

  • механические;
  • химические;
  • электромагнитные;
  • гравитационные;
  • спиновые;
  • вероятностные.

С точки зрения физики, волны переносят энергию. Но случается, что перемещается и масса. Отвечая на вопрос о том, что такое интерференция в физике, следует отметить, что она характерна для волн абсолютно любой природы.

Признаки различия волн

Как ни странно, но единого определения волны не существует. Их виды настолько разнообразны, что только типов классификации более десятка. По каким же признакам различают волны?

  1. По способу распространения в среде (бегущие или стоячие).
  2. По характеру самой волны (колебательные и солитоны отличны именно по этому признаку).
  3. По типу распределения в среде (продольные, поперечные).
  4. По степени линейности (линейные или нелинейные).
  5. По свойствам среды, в которой они распространяются (дискретные, непрерывные).
  6. По форме (плоские, сферические, спиральные).
  7. По особенностям физической среды распространения (механические, электромагнитные, гравитационные).
  8. По направлению колебания частиц среды (волны сжатия или сдвига).
  9. По времени, которое требуется на возбуждение среды (одиночные, монохроматические, волновой пакет).

И к любому типу этих возмущений среды применима интерференция. Что такое особенное содержится в этом понятии и почему именно это явление делает наш мир таким, какой он есть, расскажем после приведения характеристик волны.

Характеристики волны

Вне зависимости от типа и вида волн, у них всех есть общие характеристики. Вот список:

  1. Гребень – это своего рода максимум. Для волн сжатия это место наибольшей плотности среды. Представляет собой наибольшее положительное отклонение колебания от состояния равновесия.
  2. Ложбина (в некоторых случаях долина) – это обратное гребню понятие. Минимум, наибольшее отрицательное отклонение от состояния равновесия.
  3. Временная периодичность, или частота – это время, за которое волна пройдет от одного максимума к другому.
  4. Пространственная периодичность, или длина волны – это расстояние между соседними пиками.
  5. Амплитуда – это высота пиков. Именно данное определение понадобится, чтобы разобраться, что такое интерференция волн.

Мы очень подробно рассмотрели волну, ее характеристики и различные классификации, ибо понятие «интерференция» невозможно объяснить без четкого понимания такого явления, как возмущение среды. Напоминаем, что интерференция имеет смысл только для волн.

Взаимодействие волн

Теперь мы вплотную подошли к понятию «интерференция»: что такое, когда возникает и как ее определить. Все перечисленные выше виды, типы и характеристики волн относились к идеальному случаю. Это были описания «сферического коня в вакууме», то есть неких теоретических конструкций, невозможных в реальном мире. Но на практике все пространство вокруг пронизано различными волнами. Свет, звук, тепло, радио, химические процессы – это периодические колебания среды. И все эти волны взаимодействуют. Надо отметить одну особенность: чтобы они могли повлиять друг на друга, у них должны быть схожие характеристики.

Волны звука никоим образом не смогут интерферировать со светом, а радиоволны никак не взаимодействуют с ветром. Конечно, влияние все равно есть, но оно настолько мало, что его действие просто не учитывается. Другими словами, при объяснении, что такое интерференция света, предполагается, что один фотон влияет на другой при встрече. Итак, подробнее.

Интерференция

Для многих видов волн действует принцип суперпозиции: встречаясь в одной точке пространства, они взаимодействуют. Обмен энергией отображается на изменении амплитуды. Закон взаимодействия следующий: если встречаются в одной точке два максимума, то в конечной волне интенсивность максимума увеличивается вдвое; если встречаются максимум и минимум, то итоговая амплитуда обращается в ноль. Это и есть наглядный ответ на вопрос о том, что такое интерференция света и звука. По сути, это явление наложения.

Интерференция волн с разными характеристиками

Описанное выше событие представляет встречу двух одинаковых волн в линейном пространстве. Однако две встречные волны могут иметь разные частоты, амплитуды, длины. Как представить итоговую картину в таком случае? Ответ кроется в том, что результат будет не совсем похож на волну. То есть строгий порядок чередования максимумов и минимумов будет нарушен: в какой-то момент амплитуда будет максимальной, в следующий – уже меньше, потом встретятся максимум и минимум и результат обратится в ноль. Однако, какими бы сильными ни были различия двух волн, амплитуда все равно рано или поздно повторится. В математике принято говорить о бесконечности, но в реальности силы трения и инерция могут остановить само существование результирующей волны до того, как картина пиков, долин и равнин повторится.

Интерференция волн, встречающихся под углом

Но, помимо собственных характеристик, у реальных волн может различаться положение в пространстве. Например, при рассмотрении вопроса о том, что такое интерференция звука, это необходимо учитывать. Представьте: идет мальчик и дует в свистульку. Он посылает звуковую волну впереди себя. А мимо него проезжает другой мальчик на велосипеде и звенит в звонок, чтобы пешеход посторонился. В месте встречи этих двух звуковых волн они пересекаются под некоторым углом. Как рассчитать амплитуду и форму конечного колебания воздуха, который долетит, например, до ближайшей торговки семечками бабушки Маши? Тут в силу вступает векторная составляющая звуковой волны. И складывать или вычитать в данном случае надо не только величины амплитуды, но и векторы распространения этих колебаний. Надеемся, что бабушка Маша при этом не будет сильно кричать на шумящих ребят.

Интерференция света с разной поляризацией

Бывает и так, что в одной точке встречаются фотоны разной поляризации. В этом случае тоже следует учитывать векторную составляющую электромагнитных колебаний. Если они не взаимно перпендикулярны или один из пучков света имеет круговую или эллиптическую поляризацию, то взаимодействие вполне возможно. На этом принципе строится несколько способов определения оптической чистоты кристаллов: в перпендикулярно поляризованных пучках не должно быть никакого взаимодействия. Если картина искажается, то кристалл неидеален, он изменяет поляризацию пучков, а значит, выращен неправильно.

Интерференция и дифракция

Взаимодействие двух пучков света приводит к их интерференции, в итоге наблюдатель видит ряд светлых (максимумов) и темных (минимумов) полос или колец. А вот взаимодействие света и вещества сопровождается другим явлением – дифракцией. Оно основано на том, что свет разной длины волны иначе преломляется средой. Например, если длина волны 300 нанометров, то угол отклонения составляет 10 градусов, а если 500 нанометров – уже 12. Таким образом, когда на призму из кварца падает свет от солнечного луча, красный преломляется не так, как фиолетовый (их длины волн различаются), и наблюдатель видит радугу. Это ответ на вопрос о том, что такое интерференция и дифракция света и чем они отличаются. Если направить на ту же призму монохроматическое излучение от лазера, никакой радуги не будет, так как нет фотонов различной длины волны. Просто луч отклонится от первоначального направления распространения на некоторый угол, и все.

Применение явления интерференции на практике

Возможностей получить практическую пользу из этого сугубо теоретического явления очень много. Здесь будут перечислены лишь основные из них:

  1. Исследование качества кристаллов. Чуть выше мы рассказывали об этом.
  2. Выявление погрешностей линз. Часто они должны быть отшлифованы в идеальной сферической форме. Наличие каких-либо дефектов обнаруживают именно с помощью явления интерференции.
  3. Определение толщины пленок. В некоторых видах производства очень много значит постоянная толщина пленки, например пластиковой. Определить ее качество позволяет именно явление интерференции вместе с дифракцией.
  4. Просветление оптики. Очки, линзы фотоаппаратов и микроскопов покрывают тонкой пленкой. Таким образом, электромагнитные волны определенной длины просто отражаются и накладываются сами на себя, уменьшая помехи. Чаще всего просветление делается в зеленой части оптического спектра, так как именно эту область человеческий глаз воспринимает лучше всего.
  5. Изучение космоса. Зная законы интерференции, астрономы способны разделить спектры двух близко расположенных звезд и определить их составы и расстояние до Земли.
  6. Теоретические исследования. Когда-то именно с помощью явления интерференции удалось доказать волновую природу элементарных частиц, таких как электроны и протоны. Этим была подтверждена гипотеза корпускулярно-волнового дуализма микромира и положено начало квантовой эре.

Надеемся, что с данной статьёй ваши познания о наложении когерентных (испускаемых источниками, имеющими постоянную разность фаз и одинаковую частоту) волн значительно расширились. Это явление и называется интерференцией.

fb.ru

явление и условия для его возникновения

Сегодня мы расскажем об интерференции в тонких пленках. В фокусе нашего внимания открытие, исследование и применения этого замечательного физического явления.

Определение

Прежде чем описывать какой-то закон, сначала надо понять, что за составляющие в него входят. Если этого не сделать, то читатель может пропустить важные детали, и восприятие научного факта исказится. Школьник, который пропустил одно занятие по физике из-за болезни или лени, должен обязательно разобрать эту тему самостоятельно. Потому что каждое следующее понятие опирается на предыдущее. Если упустить одно значение, непонятной будет вся остальная физика. Прежде чем приступать к выводу интерференции в тонких пленках, надо сначала дать определение явлению.

Этот феномен может относиться к любым колебательным процессам. Интерферировать могут волны ветра, моря и звука. Взаимодействие происходит даже у таких сложных квазичастиц, как коллективное колебание решетки кристаллов.

Интерференция – это явление, которое происходит при встрече в одном месте нескольких волн. Оно состоит в том, что при сложении изменяется амплитуда результирующего колебания. Это значит, что волны могут усилить, погасить друг друга или пройти дальше без изменений.

Свет

Явление интерференции в тонких пленках – это взаимодействие волн света. Так что прежде чем приступать к описанию феномена, надо пояснить природу этих колебаний.

Свет – это квант электромагнитного поля. Фотон обладает свойствами как волны, так и частицы. Пока квант движется сквозь пространство, он нерушим и вечен. Доказательством тому свет далеких галактик. Некоторые из них, возможно, уже поменяли форму или вообще перестали существовать. Но их излучение летело сквозь космос миллиарды лет, пока не достигло взгляда людей.

Основной источник света – электронные переходы в атоме. Внутри звезд происходит мощная термоядерная реакция, в результате которой выделяются все виды электромагнитного излучения. Видимый свет – только небольшой участок всей шкалы, который доступен человеческому зрению.

Свойства волны

Чтобы описать кратко интерференцию в тонких пленках, надо рассказать о волновых свойствах света. Для понимания формы идеального колебания без затухания надо только посмотреть на график синуса или косинуса в привычных декартовых координатах. Основные свойства фотона следующие:

  1. Длина волны. Обозначается греческой буквой λ. Длина волны – это расстояние между двумя одинаковыми фазами. Нагляднее всего эта величина демонстрируется как промежуток между двумя соседними максимумами или минимумами.
  2. Частота. В зависимости от вида обозначается по-разному: линейная частота – это ν, циклическая – ω, а если эта величина выражается как функция, то она пишется латинской буквой f, причем непременно курсивом. Частота и длина волны связаны соотношением λ * ν = c, где c – это скорость света в вакууме. Таким образом, зная одну величину, другую получить очень просто.
  3. Амплитуда. Для интерференции данное свойство волны самое важное. Это высота максимумов и минимумов колебания. Именно амплитуда изменяется, когда встречаются две волны.
  4. Фаза. Для единичного кванта этот фактор значения не имеет. При взаимодействии важна разница фаз. Состояние (максимум, минимум или стремление к ним), в котором пришли в одно место две волны, влияет на конечную интенсивность при интерференции.
  5. Поляризация. В целом это свойство описывает форму колебания. Поляризация света бывает линейной, круговой и эллиптической.

Преломление, отражение

Непосредственно явление интерференции света в тонких пленках связано еще с несколькими феноменами линейной оптики.

Встречая препятствие, свет может действовать по-разному:

  • отразиться;
  • преломиться;
  • рассеяться;
  • поглотиться.

В последнем случае фотон отдает свою энергию веществу, и там происходят какие-то изменения. Чаще всего это просто нагрев. Недаром вещь, оставленная на солнцепеке, становится очень горячей. Много разных квантов передают забытому детьми мячу свою энергию.

Рассеяние тоже подразумевает, что свет взаимодействует с материей: он поглощается и вновь излучается обратно. Часто выходящие кванты имеют другую длину волны или поляризацию.

Преломление и отражение не изменяют свойства пучка, разница лишь в направлении распространения света.

Все эти процессы участвуют, например, в формировании изображения поверхности озера.

Поведение света в тонких покрытиях

Простейшим примером пленочного покрытия является мыльная пена. Мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. В итоге она образует очень большие площади при маленькой толщине. Мыльные пузыри переливаются всеми цветами радуги. И сейчас мы объясним, почему.

На пленку падает свет. На верхней границе покрытия часть его отражается, часть преломляется. Нас интересует второй пучок, который оказался внутри вещества. Он достигает дна, и дальше тоже часть преломляется, а часть отражается обратно внутрь пленки. Тот свет, который идет в следующую среду, для наблюдателя потерян. А вот тот, который возвращается обратно в пленку, нам как раз интересен, потому что на границе он опять преломляется и выходит в первую среду, из которой он первоначально вошел. Получается, что входящий и выходящий пучки параллельны друг другу. Это один и тот же свет, только фаза его на выходе изменилась. Разница определит, что увидит наблюдатель: светлую полосу или темную. Описанный процесс составляет сущность интерференции в тонких пленках. Кольца Ньютона, которые наблюдаются в параллельном пучке света между выпуклой линзой и плоской стеклянной пластиной, фактически имеют ту же природу. Их очень просто наблюдать: этот опыт способны произвести даже школьники на уроках физики.

Расстояние между светлыми полосами

Надеемся, читатель вполне уяснил себе механизм взаимодействия света и тонких покрытий. Теперь приведем некоторые формулы.

На выходе из пленки наблюдается картина светлых и темных областей. Площади, на которых конечная картина имеет одну и ту же освещенность, называется полосами равного наклона. Интерференция в тонких пленках дает нам следующую формулу для их расчета:

2m * λ = (2nh * cosβ ± λ) / 2.

Здесь: λ – длина волны падающего излучения, m – порядок интерференции, β – угол между преломленным в первый раз пучком и нормалью к поверхности, n – показатель преломления пленки, а h – ее толщина.

Следует отметить, что данное условие покажет геометрическое место точек наиболее светлых областей интерференционной картины.

Таким образом расположены только те пучки, которые падают на поверхность пленки под одним и тем же углом. Именно поэтому они называются полосами равного наклона.

Фотоаппараты и очки

Школьник, который находит физику скучным предметом, наверняка задает себе вопрос: «Зачем все это нужно?». Тем не менее взаимодействие света и тонких покрытий используется в повседневной жизни достаточно широко.

На линзах любой фото- и телеаппаратуры есть напыление: тончайшая прозрачная пленка. Ее толщина подобрана так, чтобы камера не давала зеленых бликов (свет этой длины волны гасит сам себя, проходя через слой на поверхности стекла). Такое решение делает изображение контрастным и ярким. Ведь человек лучше всего видит зеленый спектр и недостатки этого цвета воспринимает наиболее четко.

Просветляющее напыление наносится также на линзы микроскопов и телескопов. И не обязательно толщина пленки соответствует зеленому цвету. Если ученый исследует процессы с инфракрасным или ультрафиолетовым излучением, аппаратура помогает ему именно в этом диапазоне.

Лазеры

Также интерференция применяется в лазерах, но этот факт известен немногим.

Сегодня без лазеров не обходится ни один из видов человеческой деятельности. Устройство состоит из трех частей – накачки, рабочего тела и отражателя. Зеркало расположено на торцах основного излучающего материала. Его предназначение – собирать генерируемые фотоны конкретной длины волны в одном направлении. Этот элемент прибора часто представляет собой ряд тонких пленок, интерференция на которых позволяет проходить дальше только нужному излучению.

fb.ru


Смотрите также