Физика 11 класс "Применение интерференции"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 7» г. Бердск

Применение интерференции света

Физика 11 класс

Учитель физики

И.В.Торопчина

Лицей №7

г. Бердск

Интерференция

Интерференцией называется — сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Применение интерференции

• Интерференция света находит широкое применение в различных областях науки и техники, так как позволяет значительно повысить точность измерений. Явление интерференции применяется для определения малых показателей преломления (например, газообразных веществ, слабых растворов и т.д.), для точного измерения длин и углов, для контроля чистоты обработки отражающих поверхностей прозрачных и непрозрачных тел.

Применение интерференции

• Интерферометры.
• Просветление оптики.
• Проверка качества обработки поверхностей.
• Сверхточное определение размеров.
• Определение длин световых волн.
• Определение эталона 1 м в длинах световых волн.

Применение интерференции

Интерферометры

• Приборы, принцип действия которых основан на явлении интерференции, называются интерферометрами.
• Принцип действия интерферометра: пучок электромагнитного излучения с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и возвращается на экран, создавая интерференционную картину

Применение интерферометров

Интерферометры применяются в станкостроении и  машиностроении ,

для оценки качества оптических поверхностей и проверки  оптических

систем  в целом.

С их помощью выполняются:

• Измерение длин волн спектральных линий
• Изучение их структуры
• Измерение неоднородностей показателя преломления прозрачных сред
• Измерение угловых размеров звёзд
• Измерение скорости света
• Определение качества шлифовки поверхностей
• Измерение показателей преломления газов

Интерферометры

Большинство из интерферометров (Жамена,  Рождественского,

Релея)  предназначено для точного измерения показателей преломления света, некоторые для изучения качества обработки поверхности (интерферометр Линника), некоторые (интерферометры Майкельсона, Фабри-Перо) для целей метрологии и точного измерения длин. Среди интерферометров наиболее известен интерферометр Майкельсона и большинство других интерферометров повторяет принцип действия интерферометра Майкельсона.

Интерферометр Майкельсона

• Монохроматический пучок света от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную пластинку Р 1 . Полупрозрачная пластинка покрыта тонким слоем серебра, луч разделяется на две части: луч 1 отражается от посеребренного слоя, луч 2 проходит через него. Луч 1 отражается от зеркала М 1 и, возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку P 1 (луч 1'). Луч 2 идет к зеркалу М 2 , отражается от него, возвращается обратно и отражается от пластинки P 1 (луч 2'). Так как первый луч проходит пластинку Р 1 дважды, то для компенсации возникшей разности хода на пути второго луча ставится пластинка Р 2 (не покрытая слоем серебра).

• Лучи 1' и 2' когерентны и будет наблюдаться интерференция.

При перемещении одного из зеркал на расстояние λ/ 4 разность хода обоих лучей изменится

на λ/ 2, и в интерференционной картине максимум сдвинется на место минимума, и

наоборот, т.е. интерференционный максимум сдвинется на половину расстояния между

полосами.

По незначительному смещению интерференционной картины можно с использовать интерферометр для достаточно точных (10 -9 м) измерений длин волн.

Звездный интерферометр Майкельсона

• Для измерения угловых размеров звезд и угловых расстояний между двойными звездами применяется звездный интерферометр Майкельсона
• Свет от звезды, отразившись от зеркал М1, М2, М3, М4, образует 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.

Первой звездой, чей диаметр был измерен, стала  Бетельгейзе  (0,047  угловой секунды ).

Применение интерференции

• По виду интерференционной картины можно проводить точные измерения расстояний при известной длине волны или, наоборот, определять спектр интерферирующих волн (интерференционная спектроскопия).
• Интерференционными методами проводится сравнение самых стабильных эталонов длины с рабочими эталонами метра и т.п. Такое сравнение можно осуществить при помощи интерферометра Майкельсона.

Применение интерференции

Определение длины световой волны

Измерив радиусы колец, можно вычислить длины волн.

В результате измерений было установлено, что для красного света - λ кр = 8 •10 -7 м,

для фиолетового - λ ф = 4 • 10 -7 м.

Длины волн, соответствующие другим цветам спектра, принимают промежуточные значения .

Применение интерференции

• С помощью явления интерференции проверяют качество обработки деталей. Это бесконтактный контроль геометрических размеров и формы деталей, а также качества 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.

Применение интерференции

Проверка качества обработки поверхностей

С помощью интерференции можно оценить качество обработки поверхности

изделия с точностью до 1/10 длины волны. Для этого нужно создать тонкую

клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой

эталонной пластиной. При неровности поверхности размером до 10 -6 см заметны

искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от

проверяемой поверхности и нижней грани.

Проверка качества обработки поверхностей

• Если же на контролируемой поверхности имеется какой-либо дефект, например вмятина или царапина, то это приведет к  искажению интерференционных полос (рис.в). По форме полос и их ширине можно судить о характере дефектов и их глубине. Применение интерференционных методов позволяет измерять отклонение от плоскости с погрешностью от 0,01 мкм. При нормальном падении монохроматического света на образец повышается точность измерений, так как увеличивается резкость интерференционных полос.

Интерференционный метод — очень чувствительный метод проверки гладкости поверхностей, так как позволяет оценить качество обработки с точностью порядка 10 -8 м.

Применение интерференции

Просветление оптики

Просветление оптики

• Объективы многих современных оптических приборов, например биноклей, фотоаппаратов, кинокамер, имеют сиреневый оттенок. Он обусловлен тем, что на внешнюю поверхность линзы нанесена тонкая пленка для уменьшения отражения от ее поверхностей. Если пленку не наносить, то при отражении от поверхностей линзы теряется до 10 % энергии падающего излучения. Так как современные объективы содержат несколько линз, то потери энергии при отражениях на поверхностях в объективе могут достигать до 70 %.

Просветление оптики

Н а поверхность линзы наносят тонкую пленку, толщина и показатель преломления которых подбираются таким образом, чтобы в отраженном свете был интерференционный минимум. В результате через объектив проходит больше света. Получаемое изображение становится более ярким и именно поэтому применяется термин "просветление оптики".

Объектив с просветленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок.

Просветление оптики

При падении белого света осуществить «просветление» для всех падающих длин волн невозможно. Выбирают толщину пленки таким образом, чтобы интерференционный минимум при нормальном падении света на объектив был для длин волн λ  ≈  550 нм (зеленый цвет). Уменьшение отражения для красного (λ  ≈  800 нм) и фиолетового (λ  ≈  400 нм) практически не происходит, поэтому «просветленные» объективы имеют сиреневый оттенок.

Просветление оптики

• Просветляющие плёнки уменьшают светорассеяние, что увеличивает контраст оптического изображения, отчего фотографии получаются более детализированными.
• 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.

Применение интерференции

Явление интерференции в тонких пленках используется для создания зеркал, фильтров, просветляющих покрытий и т. д.

Применение интерференции

Широко используется в настоящее время голография — метод получения объемных изображений, основанный на использовании явления интерференции .

• Голография представляет собой «трехмерную фотографию», так как, смотря на изображенный предмет под разными углами, можно его рассмотреть с разных сторон.

Интерференция вокруг нас

Проявления интерференции света можно наблюдать, рассматривая необычные

рисунки на крыльях некоторых бабочек, светлячков и других насекомых;

переливы всеми цветами радуги морских ракушек, птичьих перьев или цветных

пленок на поверхности воды от масляных пятен, бензина.

Интерференция света вокруг нас

Интерференция в

тонких пленках

• «Мыльный пузырь, витая в воздухе... зажигается всеми оттенками цветов, присущими окружающим предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы»

(Марк Твен).

Интерференция в тонких пленках

Различные цвета тонких пленок

результат сложения волн 1 и 2,

одна из которых (1) отражается

от наружной поверхности пленки,

а другая (2) — от внутренней.

Результат интерференции зависит

от угла падения света на пленку,

ее толщины и длины волны

света.

Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 отстает от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстает от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

Интерференция в тонких пленках

Если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета

Интерференция вокруг нас

Мыльные пузыри .

Лучи, которые падают и отражаются от внутренней границы плёнки,

интерферируют. В зависимости от изменения ее толщины, постоянно

меняется и окраска пленки. Так как из-за испарения воды пленка мыльного

пузыря становиться все тоньше и тоньше, то и цвет ее изменяется. чем тоньше

становиться пленка, тем больше цветовых компонентов исчезает.

Цвет мыльного пузыря зависит не только от толщины пленки, но и от угла, с

которым луч света сталкивается .

Спасибо за внимание!