Волновая оптика. Интерференция презентация

Спектр видимого излучения
Каждый
Охотник
Желает
Знать
Где
Сидит
Фазан
Спектр
распределение интенсивности ЭМ волн
по длинам волн или частотам
Монохроматическая волна
волна, имеющая постоянную амплитуду и постоянную частоту

Проявляется во взаимном усилении световых волн
в одних точках пространства
и ослаблении – в других
Интерференция света
От лат. inter – взаимно, между собой
и ferio – ударяю, поражаю —
взаимоподавление одновременно осуществляющихся процессов
Явление пространственного перераспределения
энергии излучения при наложении
двух или нескольких световых волн
Наблюдается устойчивая картина чередующихся максимумов
и минимумов интенсивности света

Явление перераспределения в пространстве интенсивности электромагнитного поля, возникающее при наложении двух или нескольких когерентных волн называется интерференцией.
Если разность фаз возбуждаемых волнами колебаний остается постоянной во времени, то волны называются когерентными.
В зависимости от их разности фаз мы получаем минимум или максимум интенсивности в данной точке.

Условия наблюдения интерференции
Необходимое условие
Когерентность волн
согласованное протекание
во времени и пространстве
нескольких волновых процессов
При суперпозиции
(наложении) таких волн
и наблюдается интерференционная картина
У двух разных источников света никогда НЕ сохраняется постоянная разность фаз волн
монохроматичность волн
постоянство разности фаз
параллельность
световых векторов
их лучи НЕ интерферируют
Волны одной природы!

Амплитуда суммарного колебания определяется по правилу сложения двух колебаний одинакового направления
Пусть в некоторую точку пространства приходят две световые волны одинакового направления.
Соответственно, выражение для интенсивности суммы колебаний электромагнитных волн имеет вид

Если оптическая разность хода равна целому числу длин волн, то волны в точке сложения колеблются синфазно, так как разность фаз равна числу кратному 2π.
Условие получения интерференционного максимума:
При суперпозиции когерентных волн в одних точках пространства возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности.

Интенсивность результирующей волны
Интенсивность волны при сложении двух когерентных волн
Пусть
Усиление волн
Максимальное усиление
при разности фаз

Если же оптическая разность хода равна полуцелому числу длин волн в вакууме то волны в точке сложения колеблются в противофазе, так, как разность фаз равна
получаем условие интерференционного минимума:

Интенсивность результирующей волны
Ослабление (гашение) волн
Максимальное ослабление при

Оптическая разность хода
Разность фаз
Оптическая разность хода
S1
S2
n1x1
n2x2
Δ

Опыт Юнга
Английский учёный широкого профиля: физик (один из создателей волновой теории света, ввёл понятие механической энергии и представление о модуле упругости), механик, врач (впервые описал явление астигматизма), астроном, филолог и востоковед (ввёл понятие «индоевропейские языки»). Полиглот — владел 13 языками. Учёный секретарь Королевского общества (1804—1829). В 1801—1803 годах был профессором Королевского института в Лондоне.
Занимаясь египтологией, вплотную подошёл к расшифровке древнеегипетской иероглифики, в англоязычном мире именно Юнг, а не Шампольон, считается дешифровщиком египетского письма.
За широту интересов и фундаментальность вклада в науку биографРобинсон[en] охарактеризовал Юнга как «последнего человека, который знал всё».
Thomas Young;
13 июня 1773 -10 мая 1829

Явление интерференции можно наблюдать, разделив (с помощью отражений или преломлений) волну, излучаемую одним источником, на две части.
Полученные когерентные волны затем необходимо сложить, предварительно заставив пройти различные оптические пути.
В общем случае полученные таким образом две световые волны пройдут до точки сложения пути s1 и s2.

Способы получения когерентных волн
Опыт Юнга
Экран
L
d
1
2
x

Опыт Юнга

Опыт Юнга

Вывод формулы для расчета интерференционной картины
С учетом малости d и х
Оптическая разность хода
max
х
Экран
min
Разность этих уравнений

Координаты максимумов и минимумов в опыте Юнга
Расстояние между соседними интерференционными полосами (ширина интерференционной полосы )

Условие интерференционного максимума

Условие интерференционного минимума
Смена min на max происходит при изменении Δ на λ/2
Экран

Интерференция в тонких пленках
h – толщина пластинки
n – показатель преломления
β – угол преломления
полосы равного наклона
(α = const)
Типы интерференции
в тонких пленках
полосы равной толщины
(h = const)
кольца Ньютона
λ/2 обусловлена
потерей полуволны
при отражении света
от оптически более плотной среды (в т. А)
Ход лучей в плоскопараллельной пластине

Интерференция света в тонких пластинках (пленках)

Потеря полволны
При отражении от оптически более плотной среды (среды с бóльшим показателем преломления) фаза волны меняется на ±π, что соответствует изменению оптической длины пути на , при отражении от оптически менее плотной среды фаза не меняется.
.
.
;
Интерференционные полосы, возникающие
в результате наложения лучей, падающих
на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами
Толщина пластины одинаковая

При падении на плоскопараллельную пластинку расходящегося (или сходящегося) пучка света наблюдаются полосы равного наклона (имеется в виду угол падения лучей).
Эти полосы имеют вид концентрических полос с центром в фокусе линзы. Порядок интерференции растет с уменьшением угла падения, и в центре картины он максимален.
Интенсивность отраженного света зависит от угла падения.
Для наблюдения интерференционной картины экран помещают в фокальной плоскости линзы, т.е. так, как его располагают для получения на нем изображения бесконечно удаленных предметов, поэтому говорят, что полосы равного наклона локализованы в бесконечности.
Полосы равного наклона

Виды интерференционных картин на тонких пленках
Условия: h = const, пучок лучей широкий и параллельный
Цвета тонких пленок
– интерференция при освещении пленки широким пучком

Интерференция в тонких пленках.
Полосы равной толщины

Разность хода интерферирующих лучей в отраженном свете:
Пусть на стеклянную пластинку имеющую форму клина, падает плоская монохроматическая волна, тогда отраженные от верхней и нижней поверхностей пластинки световые волны будут распространяться не в одном направлении, а под некоторым углом.
Полосы равной толщины

Так как разность хода лучей. отразившихся от различных участков клина неодинакова (из-за различной толщины клина), то на поверхности клина появятся светлые и темные полосы, параллельные ребру клина.
Каждая из полос возникает в результате отражения от участков клина с одинаковой толщиной, поэтому их называют полосами равной толщины (имеется в виду толщина клина, а не полос).
Локализованные вблизи поверхности клина полосы можно наблюдать глазом, фокусируя его на поверхность клина.
Полосы равной толщины

Условия: толщина пленки плавно изменяется (h ≠ const), представляя собой клин. Пучок параллельный.
Система полос равной толщины
- максимум (светлая полоса)
- минимум (темная полоса)
Полосы равной толщины

Расчет интерференционной картины в клине (полосы равной толщины)
Разность хода двух лучей
Условие минимума
Если m полос укладывается на расстоянии l, то

Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины
в мыльных пленках
в масляных пленках

Интерференция в тонких пленках. Кольца Ньютона
R
1
2
1
2
R – радиус кривизны линзы
n – показатель преломления
max интерференции в отраженном свете
min интерференции в проходящем свете

Кольца Ньютона

Кольца Ньютона в отраженном свете
в отраженном свете
в центре – min
Кольца Ньютона- это кольцевые полосы равной толщины, наблюдаемые при отражении света от поверхностей зазора между стеклянной пластинкой и соприкасающейся с ней выпуклой линзой.
При нормальном падении света кольца в отраженном свете имеют вид концентрических окружностей с центром в месте соприкосновения линзы с пластинкой.
в проходящем свете
в центре – max

В проходящем свете нет потери полволны. Разность хода интерферирующих волн равна:
,
В отраженном свете потеря полволны происходит при отражении от оптически более плотной среды (от стекла), с учетом потери оптическая разность хода интерферирующих волн равна:
Угол α- угол падения луча на плоскопараллельную пластинку(или клин), в случае нормального падения α=0

Расчет радиусов колец Ньютона
По теореме Пифагора
По условию малости
Радиус темных колец в отраженном свете

Кольца Ньютона в зеленом и красном свете (в отраженном свете)

1.Радиусы колец Ньютона в отраженном свете:
А) темных
В вакууме (n=1)
Б) светлых
2.Радиусы колец Ньютона в проходящем свете:
А) темных
Б) светлых
Радиусы колец Ньютона

Использование интерференции
Интерференционная спектроскопия
Интерференция может быть использована для
измерения длин волн
подтверждения
волновой природы света
измерения показателей преломления
получения высокоотражающих покрытий
Просветление оптики
контроля качества обработки поверхностей
интерференция
в тонких пленках
улучшения качества оптических приборов
Интерференционные рефрактометры
с точностью
до 10-8 м
…

Интерференционная картина в виде полос равной толщины широко используется на практике для контроля степени неровности различных поверхностей, плёнок, а также всевозможных покрытий.
Если поверхности плёнки неровные, то полосы равной толщины принимают неправильную причудливую форму, связанную с соответствующим контуром равной толщины плёнки.