Интерференция света

Приложения

Оптическое окно с просветляющим покрытием . Под углом 45 ° покрытие немного толще по отношению к падающему свету, что приводит к смещению центральной длины волны в сторону красного и появлению отражений на фиолетовом конце спектра. При 0 °, для которого это покрытие было разработано, отражения практически не наблюдается.

Тонкие пленки коммерчески используются в просветляющих покрытиях, зеркалах и оптических фильтрах. Они могут быть спроектированы для управления количеством света, отраженного или прошедшего на поверхности для заданной длины волны. Фабри-Перо использует преимущества тонкой пленки помех , чтобы выборочно выбирать , какие длины волн света разрешено передавать через устройство. Эти пленки создаются посредством процессов осаждения, в которых материал добавляется к подложке контролируемым образом. Методы включают химическое осаждение из паровой фазы и различные методы физического осаждения из паровой фазы .

Тонкие пленки также встречаются в природе. Многие животные имеют слой ткани позади сетчатки , в Lucidum тапетума , что помогает в легком сборе. Эффекты интерференции тонких пленок также можно увидеть в нефтяных пятнах и мыльных пузырях. Спектр отражения тонкой пленки особенность различных колебаний и экстремумы спектра может быть использованы для расчета толщины тонкой пленки.

Эллипсометрия — это метод, который часто используется для измерения свойств тонких пленок. В типичном эксперименте по эллипсометрии поляризованный свет отражается от поверхности пленки и измеряется детектором. Измеряется комплексный коэффициент отражения системы. Затем проводится модельный анализ, в котором эта информация используется для определения толщины слоя пленки и показателей преломления.
ρ{\ displaystyle \ rho}

Интерферометрия с двойной поляризацией — это новый метод измерения показателя преломления и толщины тонких пленок молекулярного масштаба, а также их изменения при стимуляции.

Кольца Ньютона

Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плосковыпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона.

Возьмите плосковыпуклую линзу с малой кривизной сферической поверхности и положите ее выпуклостью вниз на стеклянную пластину. Внимательно разглядывая плоскую поверхность линзы (лучше через лупу), вы обнаружите в месте соприкосновения линзы и пластины темное пятно и вокруг него совокупность маленьких радужных колец (см. рис. III, 1 на цветной вклейке). Это и есть кольца Ньютона. Ньютон наблюдал и исследовал их не только в белом свете, но и при освещении линзы одноцветным (монохроматическим) пучком. Оказалось, что радиусы колец одного и того же порядкового номера увеличиваются при переходе от фполетового конца спектра к красному; красные кольца имеют максимальный радиус. Расстояния между соседними кольцами уменьшаются с увеличением их радиусов (см. рис. III, 2, 3 на цветной вклейке).

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 волны падает почти перпендикулярно на плосковыпуклую линзу (рис. 8.49). Волна 1 появляется к результате отражения от выпуклой поверхности линзы на границе сред стекло — воздух, а волна 2 — в результате отражения от пластины на границе сред воздух — стекло. Эти волны когерентны: они имеют одинаковую длину волны 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.

Напротив, если вторая волнa отстает от первой на нечетное число полуволн, то колебания, вызванные ими, будут происходить в противоположных фазах, и волны погасят друг друга.

Если известен радиус кривизны R выпуклой поверхности линзы, то можно вычисмшть, на каких расстояниях от точки соприкосновения линзы со стеклянной пластиной разности хода таковы, что волины определенной длины волны , 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.Длина световой волны. В результате измерений было установлено, что для красного света кр = 8 . 10-7м, а для фиолетового — ф = 4 . 107 м. Длины волн, соответствующие другим цветам спектра, принимают промежуточные значения. Для любого цвета длина световой волны очень мала. Поясним это на простом примере. Представьте себе среднюю морскую волну длиной волны в несколько метров, которая увеличилась настолько, что заняла весь Атлантический океан от берегов Америки до Эвропы. Длина световой волны, увеличенной в той же пропорции лишь ненамного превысила бы ширину этой страницы.

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.

В природе нет никаких красок, есть лишь волны разных длин волн. Глаз — сложный физический прибор, способный обнаруживать различие в цвете, которому соответствует весьма незначительная (около 106 см) разница в длинах световых волн. Интересно, что большинство животных не способны различать цвета. Они всегда видят черно-белую картину. Не различают цвета также дальтоники — люди, страдающие цветовой слепотой.При переходе света из одной  среды  в  другую  длина волны изменяется. Это можно увидеть. 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, то при этом должна уменьшиться в n раз либо частота v, 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.

Проблема когерентности волн

С помощью теории Юнга объясняются интерференционные явления, которые возникают при сложении 2-х монохроматических волн одинаковой частоты. Но сегодняшний опыт показывает, что интерференцию света на самом деле наблюдать не так-то просто. Если комнату осветить 2 одинаковыми лампочками, то в любой точке сложатся интенсивности света и здесь не будет никакой интерференции. Тогда появляется вопрос, когда нужно сложить напряженности (учитывая фазовые соотношения), а когда – интенсивности волн, то есть квадраты напряженностей полей? К сожалению, теория интерференции монохроматических волн не дает ответ на данный вопрос.

Реальные световые волны — не строго монохроматические. По фундаментальным физическим причинам излучение всегда происходит статистически (или случайно). Атомы источника света излучают независимо друг от друга в какие-то моменты времени, и каждый атом излучает свет очень короткий промежуток времени (τ≤10–8 с). Итоговое излучение источника света в определенный момент времени складывается из вкладов огромного количества атомов. Спустя время порядка τ совокупность излучающих атомов полностью обновляется

Потому суммарное излучение будет с другой амплитудой и, что очень важно, с другой фазой. Фаза волны, которая излучается реальным источником света, примерно постоянна только лишь на интервалах времени порядка τ

Определение 8

Отдельные «обрывки» излучения длительности τ называют цуги. Они обладают пространственной длиной, равной cτ, где c – это скорость света.

Определение 9

Колебания в различных цугах не согласованы друг с другом. Выходит, что реальная световая волна — это последовательность волновых цугов с беспорядочно меняющейся фазой. В физике принято считать, что колебания в различных цугах некогерентны. Временной интервал τ, в течение которого фаза колебаний примерно постоянна, называется временем когерентности.

Интерференция возникает только лишь при сложении когерентных колебаний, то есть колебаний, которые относятся к одному цугу. Хоть и фазы каждого колебания также подвергаются случайным временным изменениям, но данные изменения одинаковы, потому разность фаз когерентных колебаний постоянна. В данном случае наблюдается устойчивая интерференционная картина и, значит, выполняется принцип суперпозиции полей. При сложении некогерентных колебаний разность фаз — это случайная функция времени. В этом случае интерференционные полосы подвергаются беспорядочным перемещениям из одной стороны в другую, и за время Δt их регистрации, которая в оптических экспериментах существенно превышает время когерентности (Δt≫τ), наблюдается полное усреднение. Глаз, фотопластинка или фотоэлемент фиксирует в точке наблюдения усредненную величину интенсивности, равную сумме интенсивностей I1+I2 этих колебаний. Здесь соблюдается закон сложения интенсивностей.

Итак, интерференция возникает только лишь при сложении когерентных колебаний. Волны, которые создают в точке наблюдения когерентные колебания, тоже называют когерентными. Волны от 2-х независимых источников некогерентны и не дают интерференцию. Ученый Юнг интуитивно догадался для того, чтобы получить интерференцию света нужно волну от источника разделить на 2 когерентные волны и потом смотреть на экране результат их сложения. Так устроены все интерференционные схемы. Но даже в данном случае интерференционная картина пропадает, если разность хода Δ превышает длину когерентности cτ.

Рисунок 3.7.5.Модель кольца Ньютона.

Рисунок 3.7.6.Модель интерференционый опыт Юнга.

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

Интерференция вокруг нас

На этом уроке мы с вами уже узнали, что такое интерференция света. Давайте подведем итого нашего урока. Итак, делаем вывод, что интерференцией света называют нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн, которые в пространстве чередуются максимальными или минимальными уровнями интенсивности. Такое распределение еще называют интерференционной картиной.

А сейчас давайте попробуем вспомнить, где нам в повседневной жизни встречались такие явления, как интерференция и где ее можно применить.

Каждый из вас в детстве увлекался запусканием мыльных пузырей. Вспомните, как выдувая мыльный пузырь, он медленно двигался в пространстве, переливаясь и меняя свою окраску. Вот то явление, которое происходит с мыльным пузырем на свету, называют интерференцией в тонких пленках.

То есть, лучи, которые падают и отражаются от внутренней границы плёнки, интерферируют. Но в связи с тем, что толщина пленки не может быть постоянной, то в зависимости от изменения ее толщины, постоянно меняется и окраска пленки. Если быть более кратким, то такие радужные цвета мыльных пузырей выходят за счет интерференции световых волн и в зависимости от толщины его пленки.

Так как из-за испарения воды пленка мыльного пузыря становиться все тоньше и тоньше, то следственно и цвет ее изменяется. Пока эта пленка еще толстая, то красный компонент исчезает из белого света, и в итоге мы получаем сине-зеленое отражение. И чем тоньше становиться пленка, тем больше цветовых компонентов исчезает. После красного компонента по мере утончения пленки, исчезает желтый и остается синий, потом пропадает зеленый и остается пурпурный, а после исчезновения синего компонента, мы наблюдаем золотисто-желтый, и в итоге мы перестаем видеть отражение совсем. И когда мыльный пузырь доходит до этой фазы, то скорей всего, он скоро лопнет.

Конечно же, цвет мыльного пузыря зависит не только от толщины пленки, но и от угла, с которым луч света сталкивается. Поэтому, если допустить, что толщина пленки была бы везде одинаковой, то все равно бы мы с вами наблюдали бы его различные цвета, благодаря движению пузыря. Но, а так, как из-за гравитации, его толщина постоянно меняется, стягивая жидкость в его нижнюю часть, то мы наблюдаем движение разноцветных полос, движущихся сверху вниз.

Каждый из вас, наверное, бывая на морском побережье, наблюдал, как переливаются всеми цветами радуги морские ракушки, птичьи перья или после отплывающего катера остается цветная пленка на поверхности воды от масляных пленок, все эти примеры можно также объяснить явлением интерференции.

Также проявления интерференции света можно наблюдать, рассматривая необычные рисунки на крыльях некоторых бабочек, светлячков и других насекомых.

Оперение павлинов-самцов также привлекает своей красочной и яркой расцветкой. Здесь встречаются и насыщенный синий оттенок, и ярко-зеленый, и золотистый. Если мы рассмотрим картинку внизу, то мы можем наблюдать в переливах перьев павлина тот же эффект, как и у мыльных пузырей.

Но на самом деле такое разнообразие красочного оперения, является всего-навсего иллюзией, так как множество оттенков оперения вызванный явлением интерференции света, а на самом деле из-за красящего пигмента меланина, перья этих птиц имеют в основном коричневый цвет.

Дело в том, что рассмотреть перо павлина под микроскопом, то мы можем наблюдать, то что, каждое перо состоит из двухмерных кристаллических структур. В их состав входят прутики меланина, которые связаны между собой белком кератином. А так как, и количеству этих прутиков, и интервалам между ними, свойственно видоизменятся, то это искажает отражение световых волн, и при попадании на перья мы наблюдаем такое буйство красок.

Кроме уже перечисленных примеров, мы еще наблюдаем интерференцию в тонких пластинках. К таким выдам интерференции можно отнести лунный камень, перламутр, опал или жемчуг. И таких примеров можно найти очень много.

1. Как получают когерентные световые волны!
2. В чем состоит явление интерференции света!
3. С какой физической характеристикой световых волн связано различие в цвете!
4. После удара камнем по прозрачному льду возникают трещины, переливающиеся всеми цветами радуги. Почему!
5. Длина волны света в воде уменьшается в n раз (n — показатель преломления воды относительно воздуха). Означает ли это, что ныряльщик под водой не может видеть окружающие предметы в естественном свете!

Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. учреждений : базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 17-е изд., перераб. и доп. — М. : Просвещение, 2008. — 399 с : ил.

История

Краски для отпуска образуются, когда сталь нагревается и на ее поверхности образуется тонкая пленка оксида железа. Цвет указывает на температуру, которой достигла сталь, что сделало это одним из первых практических применений тонкопленочной интерференции.

Радужные интерференционные цвета в масляной пленке

Радужность, вызванная интерференцией тонких пленок, часто наблюдается в природе и встречается у различных растений и животных. Одно из первых известных исследований этого явления было проведено Робертом Гук в 1665 году. В Micrographia Гук постулировал, что радужность павлиньих перьев вызывается тонкими, чередующимися слоями пластины и воздуха. В 1704 году Исаак Ньютон в своей книге « Оптика» заявил , что переливчатость павлиньего пера была вызвана тем, что прозрачные слои перья были очень тонкими. В 1801 году Томас Янг дал первое объяснение конструктивного и деструктивного вмешательства. Вклад Янга оставался в значительной степени незамеченным до работы Огюстена Френеля , который помог установить волновую теорию света в 1816 году. Однако очень мало объяснений иридесценции можно было дать до 1870-х годов, когда Джеймс Максвелл и Генрих Герц помогли объяснить . После изобретения интерферометра Фабри – Перо в 1899 году механизмы тонкопленочной интерференции можно было продемонстрировать в большем масштабе.

В большинстве ранних работ ученые пытались объяснить радужность у таких животных, как павлины и жуки-скарабеи , как некоторую форму цвета поверхности, такую ​​как краситель или пигмент, который может изменять свет при отражении под разными углами. В 1919 году лорд Рэлей предположил, что яркие меняющиеся цвета не были вызваны красителями или пигментами, а были вызваны микроскопическими структурами, которые он назвал « структурными цветами ». В 1923 году Ч. У. Мейсон заметил, что бородки в павлиньих перьях сделаны из очень тонких слоев. Некоторые из этих слоев были цветными, а другие — прозрачными. Он заметил, что нажатие на бородку сместит цвет в сторону синего, а при набухании химическим веществом — в красный. Он также обнаружил, что отбеливание пигментов перьев не устраняет радужную окраску. Это помогло развеять теорию цвета поверхности и укрепить теорию структурного цвета.

В 1925 году Эрнест Мерритт в своей статье «Спектрофотометрическое исследование некоторых случаев структурного цвета» впервые описал процесс интерференции тонких пленок как объяснение иридесценции. Первое исследование радужных перьев под электронным микроскопом произошло в 1939 году и выявило сложные тонкопленочные структуры, а исследование морфо- бабочки в 1942 году выявило чрезвычайно крошечный массив тонкопленочных структур в нанометровом масштабе.

Первое производство тонкопленочных покрытий произошло совершенно случайно. В 1817 году Джозеф Фраунгофера обнаружил , что, потускнение стекла с азотной кислотой , он может уменьшить отражения на поверхности. В 1819 году, наблюдая, как слой спирта испаряется с листа стекла, Фраунгофер заметил, что цвета появляются непосредственно перед тем, как жидкость полностью испаряется, и пришел к выводу, что любая тонкая пленка прозрачного материала будет давать цвета.

Незначительный прогресс был достигнут в технологии тонкопленочных покрытий до 1936 года, когда Джон Стронг начал испарение флюорита для создания просветляющих покрытий на стекле. В 1930-х годах усовершенствования вакуумных насосов сделали возможными методы вакуумного осаждения , такие как распыление . В 1939 году Вальтер Х. Геффкен создал первые интерференционные фильтры с диэлектрическими покрытиями.

Условие когерентности световых волн

Причина отсутствия интерференционной картины в опыте с двумя лампочками в том, что световые волны, излучаемые независимыми источниками, не согласованы друг с другом. Для получения же устойчивой интерференционной картины нужны согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную во времени 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 обычно длину около метра. И такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотично меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги волн от различных источников сдвинуты относительно друг друга по фазе. Волны от различных источников света некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остается постоянной1. Юнг Томас (1773—1829) — английский ученый с необыкновенной широтой научных интересов и многогранностью дарований. Одновременно известный врач и физик с огромной интуицией, астроном и механик, металлург и египтолог, физиолог и полиглот, талантливый музыкант и даже способный гимнаст. Главными его заслугами являются открытие интерференции света (ввел в физику термин «интерференция») и объяснение явления дифракции на основе волновой теории. Первым измерил длину световой волны.

Никакой устойчивой картины с определенным распределением максимумов и минимумов освепденности в пространстве не наблюдается.

Первый научный эксперимент проявления интерференции света

Первый научный эксперимент по наблюдению интерференции света провел в лабораторных условиях И. Ньютон. Ученый рассматривал интерференционную картину, которая возникала при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Наблюдение Ньютона графически изображено на рис. 3.7.1.

Определение 3

Интерференционная картина выглядела в виде концентрических колец, которые впоследствие получили название колец Ньютона (рис. 3.7.2).

Рисунок 3.7.1. Наблюдение колец Ньютона. Интерференционная картина возникает при сложении волн, отразившихся от 2-х сторон воздушной прослойки. «Лучи» 1 и 2 – направления распространения волн;h – толщина воздушного зазора.

Рисунок 3.7.2. Кольца Ньютона в зеленом и красном свете.

У И. Ньютона не получилось с позиции корпускулярной теории дать объяснение тому, почему возникают кольца. Но ученый понимал, что это имеет отношение к какой-то периодичности световых процессов.