1.8.7. Использование интерференции света в промышленности
Во многих случаях, где измерение длин должно производится с очень высокой точностью, используются интерференционный метод измерения. При проверке концевых мер длины используют специальные интерференционные приборы, позволяющие производить контроль мер, длиной до 1000 мм с ошибкой от 0.1мкм до 0.05 мкм. С этими приборами вы познакомитесь в курсе «Измерительные приборы в машиностроении».
В оптической промышленности контроль точности изготовления формы поверхности оптической детали производится с помощью так называемых пробных стекол. В основе этого метода также лежит интерференция света. На пробное стекло, изготовленное с большой точностью, накладывается контролируемая оптическая деталь (рис.1.9.1).
Р
ис.
1.9.1
В местах несовпадения поверхности контролируемой детали с поверхностью пробного стекла образуется тонкая воздушная прослойка, дающая в отраженном свете отчетливую интерференционную картину. По форме интерференционных полос и их ширине, можно судить о недостатках изготовленной поверхности и видеть какие участки отступают от заданной формы, в какую сторону и приблизительно оценивать величину отступления.
Интерференция также используется для оценки величины шероховатости поверхности – интерференционные микроскопы.
1.9. Дифракция света. Принцип Гюйгенса Френеля
Явление дифракции характерно для волнового процесса. Под дифракцией понимается огибание волной различных препятствий, встречающихся на ее пути, иными словами, отклонение волны от прямолинейного распространения.
Таким образом, волна, падающая на границу какого-либо непрозрачного тела, должна его огибать, заходить в «границу тени». Между тем, повседневный опыт показывает, что предметы, освещаемые светом от точечного источника, дают резкую тень и, что, следовательно, световые лучи не изменяют своего направления движения. В обычных условиях дифракция световых волн не наблюдается, чтобы ее обнаружить надо создавать специальные условия.
Рис. 1.10.1
Как известно по примеру Гюйгенса, каждая точка, до которой доходит световая волна, сама становится источником волнового процесса (рис. 1.10.1). Огибающая вторичных волн является фронтом распространяющейся волны. Этот принцип позволяет объяснить загибание волн за преграды. Огибающая вторичных волн (рис.1.10.1) ближе к средней части является плоской и загибается по краям.
Расчет интенсивностей колебаний, распространяющихся в различных направлениях и приходящих в каждую точку поля наблюдения может быть произведен по методу, предложенному Френелем, в сочетании с принципом Гюйгенса.
Френель впервые обратил внимание на то, что согласно принципу Гюйгенса, колебания в какой-либо точке среды есть результат наложения волн, пришедших в данную точку от бесконечного количества источников, и по этой причине представляет собой некоторый интерференционный эффект.
Рассмотри наиболее простой случай, прохождение света через круглое отверстие (рис.1.10.2). Пусть из источника света S вышла световая волна, фронт которой представлен сферой радиуса R . По принципу Гюйгенса во всех точках этой сферы возникают колебания, распространяющиеся во всех направлениях.
Рис. 1.10.2
Через какой-то промежуток времени вторичные волны достигнут точки A, состояние колебаний в которой мы определяем.
Френель предложил разбить волну на кольцевые зоны, проводя на ней окружности с центром на оптической оси, причем расстояние от точки A до соседних окружностей должно отличаться на половину длины волны (λ/2). Таким образом, каждые две соседние зоны будут давать световые колебания, которые придут в точку A с противоположными фазами, так как разность хода отличается на λ/2 . В результате такого взаимодействия амплитуд вторичных колебаний амплитуда Ak суммарного колебания, вызванного действием k слоя, равна:
Амплитуды a0 , a1 , a2 , … не одинаковы и представляют собой ряд уменьшающихся чисел. С достаточным приближением ряд чисел a0 , a1 , a2 , … подобен арифметической прогрессии, то есть для любых трех соседних амплитуд может быть составлено соотношение:
или
Разобъем ряд на части:
В
согласии с нашим предположением о
подобии ряда арифметической прогрессии,
каждая скобка может быть приравнена к
нулю. Следовательно,
.
Из этого расчета мы видим, что амплитуда результирующего колебания в точке A такая же, как если бы действовала только половина центральной зоны Френеля.
Рис. 1.10.3
Пусть теперь экран закрывает все зоны до K-й включительно (рис.1.10.3), тогда амплитуда в точке A представиться рядом
или, аналогично предыдущему
Таким образом, мы видим, что за непрозрачным для света экраном интенсивность световых колебаний не равна нулю.
Итак, будет ли свет огибать препятствие, то есть, будет ли интенсивность света в точке A за экраном отлична от нуля (другими словами, сможет ли приемник энергии зарегистрировать наличие света в точке A) или будет распространяться прямолинейно, зависит от соотношения между размерами экрана и зонами Френеля. Если размеры экрана соизмеримы с шириной зон Френеля, то есть, если в пределах экрана укладывается небольшое число зон Френеля, то за экраном в точке A наблюдается относительно большая освещенность. Если же в пределах экрана укладывается большое число зон Френеля, то освещенность за экраном мала, близка к нулю.