Просветление оптики. Интерферометры

Интерференция в тонких слоях применяется для уменьшения потерь на отражение в различных оптических приборах.

Покроем стекло слоем, диэлектрика с показателем преломления n, удовлетворяющим условию:

1<n<n0

где n0 — показатель преломления стекла. Толщину слоя диэлектрика сделаем равной четверти длины волны в диэлектрике (или нечетному числу четвертей длины волны). Тогда разность хода волны, отраженной на границе воздух — диэлектрик, и волны, отраженной от стекла, будет равна полуволне (обе волны отражаются с изменением фазы на π, так что с этим изменением можно не считаться). Если бы амплитуды обеих волн оказались одинаковыми, то не возникло бы никакого отражения от системы.

Пусть на диэлектрик нормально падает плоская волна. Коэффициент отражения (по амплитуде) равен:

(3.8)

и сравнительно невелик. Так, при n=1,3 он составляет всего лишь 13%.

Дойдя до границы со стеклом, волна снова отразится, причем коэффициент отражения равняется:

и также невелик. Поэтому можно приближенно считать (что и делают на практике), что при равенстве коэффициентов отражения заметного отражения волны от системы не произойдет. Из условия

r=r0

легко получается требование, налагаемое на показатели преломления:

В современных оптических приборах это «просветление оптики» применяется очень широко. Просветление обычно проводят для желто-зеленой части спектра, а красные и синие лучи имеют при этом коэффициент отражения, отличный от нуля. Поэтому стекло с таким покрытием в отраженном свете кажется голубоватым или пурпурным (смесь синего и красного цвета).

«Просветление» легко показать на сантиметровых волнах, наливая на стекло (для сантиметровых волн «n0=2,5) слой бензола (n=1,5). При определенных толщинах слоя, кратных нечетному числу четвертей длины волны, заметно возрастает интенсивность сигнала, принимаемого в проходящей волне.

Подобным же образом можно создать и слои, увеличивающие отражение света определенной частоты, т. е. «затемнить» оптическую систему в том или ином интервале частот.

Для измерения малых разностей расстояний или малых изменений оптических свойств среды применяются различные интерферометры — приборы, позволяющие разделить световой поток, обеспечить прохождение его частей по различным оптическим путям и затем осуществить схождение обеих частей потока, создающих доступную наблюдению интерференцию.

Рис. 3.11

Один из простейших двухлучевых интерферометров — интерферометр Жамена - состоит из двух толстых плоскопараллельных пластин (рис. 3.11). Ход лучей показан на этом же рисунке. При раздвоении луча в точке А возникает разность хода:

При схождении лучей в точке В получается разность хода:

(h — толщина пластин). Если пластины, одинаковы и строго параллельны друг другу, то разность хода (полная) обращается в нуль. Если же между пластинами образован малый угол е, то разность хода равна:

Таким образом, чем меньше dϕ=Ɛ, тем дальше отстоят друг от друга соседние максимумы. Малейшее изменение условий распространения одного из лучей меняет интерференционную картину. Так, заполняя кювету K1 разными газами, можно определять их показатель преломления. Меняя давление в кювете, можно изучать влияние давления на показатель преломления (или влияние температуры) и т. д.

Пусть толщина кюветы равна h. При изменении состояния газа в ней возникает некоторое изменение показателя преломления газа Δn, что вызывает изменение разности хода:

Δk=hΔn.

Легко заметить, например, изменение интерференционной картины при Δk=0,2. Если λ=0,56 мкм, h=0,1 м, то

т. e. можно заметить изменение показателя преломления на миллионные доли его значения.

 

Рис. 3.12

Однако лучи в интерферометре Жамена сравнительно близки друг к другу, что мешает в эксперименте воздействовать на один из них. Более удобен интерферометр Майкельсона, схема которого изображена на рисунке 3.12. Луч света от возможно более совершенного монохроматического источника попадает на разделительную пластину P, покрытую спереди полупрозрачным металлическим слоем, и раздваивается. Луч 1 идет к зеркалу 3, отражается и, пройдя разделительную пластину, попадает в зрительную трубу. Луч 2 проходит к зеркалу 4, отражается им и разделительной пластиной и также поступает в трубу. Так как первый луч проходит пластину один раз, а второй — трижды, то на пути первого луча ставится пластина К, подобная разделительной, компенсирующая эту разность хода. В поле зрения трубы можно наблюдать интерференционную картину. Если сместить одно из зеркал на отрезок Δh, то возникнет дополнительная разность хода 2Δh, что скажется на интерференционной картине — полосы претерпят некоторое смещение, доступное измерению. Таким образом, можно измерять очень малые изменения оптических путей обоих лучей, причем, так как лучи разведены относительно далеко, на каждый из них можно воздействовать независимо от другого.

Интерферометр Майкельсона обладает весьма большой чувствительностью. В частности, с его помощью исследовалось влияние движения Земли на скорость распространения света.

На этом же приборе было выполнено сравнение длины эталона метра с длиной световой волны. О точности этого сравнения свидетельствует следующее: за единицу длины — метр — теперь принимается отрезок, на длине которого укладывается 1 650 763,73 длин волн оранжевой спектральной линии криптона, излучаемой газом в стандартных физических условиях, рассмотрение которых здесь невозможно (ввиду очень специального характера этих условий). Интерферометр Майкельсона оказался удобным прибором для определения длины когерентности: можно перемещать одно из зеркал до тех пор, пока интерференционная картина не перестанет наблюдаться. Наиболее узкополосное (монохроматическое) излучение (кадмия) позволяло получить длину когерентности порядка 20 см при частоте излучения v=4,68x101J Гц. При этом немонохроматичность излучения составляла всего:

а относительная немонохроматичность была равна:

В многолучевых интерферометрах используется многократная интерференция нескольких световых лучей, что представляет известные принципиальные и практические преимущества. В частности, можно создать оптические схемы, пропускающие излучение лишь вблизи строго определенной частоты, т. е. весьма совершенные интерференционные светофильтры.