Вопрос 6. 13 минут. Интерферометры и их применение. Понятие об интерференционном микроскопе.

Интерферометрами называют измерительные и контрольные приборы, основанные на интерференции света.

Они применяются для измерения с высокой степенью точности, длин волн, небольших расстояний, показателей преломления веществ и определения качества оптических поверхностей.

Рассмотрим схему устройства интерферометра Жамена, называемого ткаже интерференционным рефрактометром, который применяется для определения показателя преломления газов, мало отличающихся от единицы.

Прибор состоит из двух идентичных толстых зеркальных пластин А и В, установленных почти параллельно между собой и под  45⁰ к направлению параллельного пучка света от источника S. Вследствие отражения от передней и задней поверхностей пластины А луч 1-2 разделяется пространственно на два луча 1 и 2 , которые отразившись от пластины В, вновь соединяются и интерферируют между собой. Результат наблюдается в зрительную трубу, расположенную по направлению лучей 1 - 2. Так как пластины А и В расположены между собой под небольшим углом, то между лучами 1 и 2 образуется разность хода и в зрительную трубу наблюдается система прямых интерференционных полос равного наклона. Если на пути лучей 1 и 2 поместить две прозрачные кюветы К₁ и К₂ одинаковой длины l: одну наклоненную исследуемым газом с показателем преломления n, а вторую - вакуумную (no = 1), то между лучами 1 и 2 создается дополнительная разность хода = l (n - 1). Она вызовет смещение интерференционных полос. Так как смещение на одну полосу соответствует изменению разности хода на одну длину волны, то смещение на m полос будет соответствовать разности хода

 = l(n - 1).

Следовательно, l(n - 1) = m , откуда .

Интерферометр Жамена, позволяющий легко и быстро обнаружить изменение состава газа или появление в нем примесей, применяется в санитарной практике для контроля чистоты воздуха в производственных помещениях, шахтах и т.п.

Сочетание двухлучевого интерферометра и микроскопа, используют в биологии для измерения показателя преломления, концентрации сухого вещества и толщины прозрачных микрообъектов. Он получил название интерференционного микроскопа.

Луч света, как и в интерферометре, в точке А раздваивается, один луч проходит через прозрачный микрообъект М, а другой - вне его. В точке D лучи соединяются и интерферируют, по результату интерференции судят об измеряемом параметре.

Вопрос 7. 13 минут. Дифракция света. Дифракция на щели в параллельных лучах.

Дифракцией света называют явление отклонения света от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями. Возможность наблюдения дифракции зависит от соотношения длины волны и размеров неоднородностей.

Различают с некоторой степенью условности дифракцию сферических волн (дифракция Френеля) и дифракцию плоскопараллельных волн (дифракция Фраунгофера).

Расчет и объяснение дифракции света можно приближённо сделать, используя принцип Гюйгенса-Френеля.

Согласно Гюйгенсу, каждая точка волновой поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных вторичных волн, их внешняя огибающая будет волновой поверхностью в последующий момент времени.

Френель дополнил это положение Гюйгенса, введя представление о когерентности вторичных волн и их интерференции. В таком обобщённом виде эти идеи получили название принципа Гюйгенса-Френеля.

На узкую длинную щель, расположенную в плоской непрозрачной преграде МN, нормально падает плоскопараллельный пучок монохроматического света. Ширина щели АВ = а, L - собирающая линза, в фокальной плоскости которой расположен экран Э для наблюдения дифракционной картины.

Если бы не было дифракции, световые лучи, пройдя через щель, сфокусировались бы в точке О, лежащей на главной оптической оси линзы. Дифракция света на щели существенно изменяет явление.

Будем считать, что все лучи пучка света исходят от одного удалённого источника и следовательно, когерентны. АВ есть часть волновой поверхности, каждая точка которой является центром вторичных волн, распространяющихся за щелью по всевозможным направлениям. Мы рассматриваем только вторичные волны, распространяющегося пучка и нормали решётки. Линза соберёт эти волны в точке О экрана, где и будет наблюдаться их интерференция.

Разделим фронт волны в щели на части или зоны (зоны Френеля) так, чтобы разность хода между крайними лучами в зоне равнялась , то есть АС = СD = ; АА=АВ - равные зоны Френеля. Число зон, укладывающихся в щели, зависит от длины волны  и угла  . Если щель АВ будет разбита при построении на нечётное число зон Френеля, а АD - на нечётное число отрезков равных , то в точке О наблюдается максимум интенсивности света:

,

где k = 1, 2, . . . Направление  = 0 также отвечает максимуму, так как все вторичные волны придут в О в одинаковой фазе.

Если щель АВ будет разбита на чётное число зон Френеля, то наблюдается минимум интенсивности света:

,

где k = 1,2, . . .

Таким образом, на экране Э получится система светлых (максимум) и тёмных (минимум) полос, центром которых соответст-вуют условия (1) и (2), симметрично расположенных влево и вправо от центральной ( = 0), наиболее яркой полосы. Интенсивность I остальных максимумов убывает по мере удаления от центрального.

Если щель освещать белым светом, то на экране Э согласно (1) и (2) образуется система цветных полос, лишь центральный максимум будет сохранять цвет падающего света, так как в направлении  = 0 усиливаются все длины волн.

1)  << a , тогда , то есть sin   0 практически для всех максимумов, и дифракция при этом не наблюдается. Этот случай соответствует достаточно широкой, по сравнению с длиной волны, щели.

2) а << , тогда , отсюда /sin  / 1, это означает, что при а   вместо системы максимумов и минимумов весь экран будет слабо освещён.