Разность фаз в интерференции тонких пленках. Применение интерференции света

Ес-ли n>n 0 , .

В точке Р будет максимум, если или (9.2)

Минимум, если или (9.3)

При освещении пленки белым светом для некоторых длин волн выполняется условие максимума отражения, для некоторых других - минимума. Поэтому в отраженном свете пленка кажется окрашенной.

Интерференция наблюдается не только в отраженном свете, но и проходящем сквозь пленку свете, но т.к. оптическая разность хода для проходящего света отличается от для отраженного света на , то максимумам интерференции в отраженном свете соответствуют минимумы в проходя-щем, и наоборот. Интерференция наблю-дается, только если удвоенная толщина пластинки меньше длины когерентности падающей волны.

1. Полосы равного наклона (интерфе-ренция от плоскопараллельной пластин-ки).

Опр. 9.1. Интерференцион-ные полосы, возникающие в результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами, называются полосами равного на-клона.

Лучи / / и / // , отразившиеся от верхней и нижней граней пластинки, параллельны друг другу, так как пластин-ка плоскопараллельна. Т.о. лучи 1" и I" «пересекают-ся» только в бесконечности, поэтому гово-рят, что полосы равного наклона локали-зованы в бесконечности . Для их на-блюдения используют собирающую линзу и экран (Э), расположенный в фокальной плоскости

Лучи /" и /" / соберутся в фокусе F линзы (на рис. ее оптическая ось параллельна лу-чам Г и /"), в эту же точку придут и дру-гие лучи (луч 2), парал-лельные лучу /, - увеличи-вается общая интенсивность. Лучи 3, наклоненные под другим углом, соберутся в другой т. Р фокальной плоскости линзы. Если оптиче-ская ось линзы перпендикулярна повер-хности пластинки, то полосы равного на-клона будут иметь вид концентрических колец с центром в фокусе линзы.

Задача 1. На толстую стеклянную пластинку, покрытую очень тонкой пленкой , падает нормально пучок лучей монохроматического света . Отраженный свет максимально ослаблен вследствие интерференции. Определить толщину пленки.

Дано: Решение:

Т.к. показатель преломления воздуха меньше показателя преломления пленки , который в свою очередь меньше показателя преломления стекла , то в обоих случаях отражение происходит от среды оптически более плотной, чем та среда, в которой идет падающий луч. Поэтому фаза колебаний дважды меняется на и результат будет такой же, как если бы изменения фазы не было.

Условие минимума: , где не учитывается, , и . Полагая , , , и т.д.

2.

Полосы равной толщины (интерфе-ренция от пластинки переменной толщины).

Пусть на клин (угол а между боковы-ми гранями мал) падает плоская волна, направление распространения которой со-впадает с параллельными лучами / и 2. Р ассмотрим лучи / / и / // , отразившиеся от верхней и нижней поверхностей клина. При опре-деленном взаимном положении клина и линзы лучи / / и 1" пересекутся в не-которой т.А, являющейся изображе-нием точки В.

Так как лучи / / и / // коге-рентны, они будут интерферировать. Если источник расположен далеко от поверхности клина и угол а достаточно мал, то оптическая разность хода между лучами / / и / // может быть вы-числена по формуле (10.1), где в качест-ве d берется толщина клина в месте паде-ния на него луча. Лучи 2" и 2", образо-вавшиеся за счет деления луча 2, падающего в другую точку клина, собираются линзой в т. А". Оптическая разность хода определяется толщиной d". На экране возникает система интерференционных полос. Каж-дая из полос возникает за счет отражения от мест пластинки, имеющих одинаковую толщину.

Опр. 9.2. Интерференционные полосы, возника-ющие в результате интерференции от мест одинаковой толщины, наз. полоса-ми равной толщины.

Так как верхняя и нижняя грани клина не параллельны между собой, то лучи / / и / // {2" и 2"} пересекаются вблизи пластинки. Таким образом, полосы равной толщины локализованы вблизи поверхности клина . Если свет па-дает на пластинку нормально, то полосы равной толщины локализуются на верхней поверхности клина. Если же мы хотим получить изображение интерференционной картины на экране, то собирающую линзу и экран нужно так расположить по отношению к клину, чтобы на экране было видно изображение верхней поверхности клина.

Для определения ширины интерференционных полос в случае монохроматического света, запишем условие для двух соседних максимумов интерференции (m -го и m+1 - го порядков) по формуле 9.2: и , откуда . Если расстояния от ребра клина до рассматриваемых интерференционных полос равны и , то , и , где малый угол между гранями клина (преломляющий угол клина), т.о. . Ввиду малости преломляющий угол клина тоже должен быть очень малым, т.к. в противном случае полосы равной толщины будут столь тесно расположены, что их невозможно будет различить.

Задача 2. На стеклянный клин нормально к его грани падает пучок лучей монохроматического света . Число интерференционных полос, приходящихся на 1 см, равно 10. Определить преломляющий угол клина.

Дано: Решение:

Параллельный пучок лучей, падая нормально к грани клина, отражается как от верхней, так и от нижней грани. Эти лучи когерентны, поэтому наблюдается устойчивая картина интерференции. Т.к. интерференционные полосы наблюдаются при малых углах клина, то отраженные лучи будут практически параллельны.

Темные полосы будут наблюдаться на тех участках клина, для которых разность ходя лучей равна нечетному числу полуволн: или , Т.к. , то . Пусть произвольной темной полосе номера соответствует определенная толщина клина в этом месте , а темной полосе номера соответствует толщина клина в этом месте ,. Согласно условию, 10 полос укладывается в , тогда, т.к. , то .

Кольца Ньютона.

Кольца Ньютона - пример полос равной толщины. Наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиу-сом кривизны. Параллельный пучок света падает на плоскую повер-хность линзы и частично отражается от верхней и нижней поверхностей воздушного зазора меж-ду линзой и пластинкой, т.е. отражается от оптически более плотных сред. При этом обе волны изменяют фазу колебаний на и дополнительной разности хода не возникает. При наложении отра-женных лучей возникают полосы равной толщи-ны, при нормальном падении света имеющие вид концентрических окружностей.

В отраженном свете оптическая разность хода при i = 0: R) определить и, наоборот, по известной найти R..

Как для полос равного наклона, так и для полос равной толщины положение максимумов зависит от . Система светлых и темных полос получается только при освещении монохроматическим светом. При наблюдении в белом свете получается совокупность смещенных друг относитель-но друга полос, образованных лучами раз-ных длин волн, и интерференционная кар-тина приобретает радужную окраску. Все рассуждения были проведены для отра-женного света. Интерференцию можно на-блюдать и в проходящем свете, причем в этом случае не наблюдается потери полуволны - оптическая разность хода для проходящего и отра-женного света отличатся на /2, т. с. максимумам интерференции в отраженному свете соответствуют минимумы в проходя-щем, и наоборот.

Мы часто наблюдаем радужное окрашивание тонких пленок, например, масляные пленки на воде, пленки оксидов на металлах, которые появляются, как результат интерференции света, который отражают две поверхности пленки.

Интерференция в тонких пленках

Рассмотрим плоскопараллельную тонкую пластину, показатель преломления которой равен n, а толщина равна b. Пусть на такую пленку под углом падает плоская монохроматическая волна (допустим, что это один луч) (рис.1). На поверхности такой пленки, в некоторой точке А луч делится. Он частично отражается от верхней поверхности пленки, частично преломляется. Преломлённый луч доходит до точки B, частично преломляется в воздух (показатель преломления воздуха равен единице), частично отразится и пойдет к точке С. Теперь он снова частично отразится и преломится, выйдет в воздух под углом . Лучи (1 и 2), которые вышли из пленки являются когерентными, если оптическая разность хода их мала в сравнении с длинной когерентности падающей волны. В том случае, если на пути лучей (1 и 2) поставить собирающуюся линзу, то они сойдутся в некоторой точке D (в фокальной плоскости линзы). При этом возникнет картина интерференции, которая определена оптической разностью хода интерферирующих лучей.

Оптическая разность хода лучей 1 и 2, которая появляется у лучей при прохождении ими расстояния от точки А до плоскости CE, равна:

где считаем, что пленка находится в вакууме, поэтому показатель преломления . Возникновение величины объясняется потерей половины длины волны при отражении света от гарницы раздела сред. При title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="14" width="54" style="vertical-align: -3px;"> половина волны будет потеряна в точке А, и при величине будет стоять знак минус. Если , то половина волны будет потеряна в точке В и при будет стоять знак плюс. В соответствии с рис.1:

где - угол падения внутри пленки. Из того же рисунка следует, что:

Примем во внимание, что для рассматриваемого случая закон преломления:

Учитывая потерю половины длины волны:

Для случая, при котором title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="14" width="54" style="vertical-align: -3px;">, получим:

По условию для максимумов интерференции, в точке D мы будем наблюдать максимум, если:

Минимум интенсивности будет наблюдаться в рассматриваемой точке, если:

Явление интерференции может наблюдаться только, если удвоенная толщина пленки меньше, чем длины когерентности падающей волны.

Выражения (8) и (9) показывают, что картина интерференции в пленках определена толщиной пленки (у нас b), длиной волны падающего света, показателем преломления вещества пленки и углом падения (). Для перечисленных параметров каждому наклону лучей () соответствует своя интерференционная полоса. Полосы, возникающие в результате интерференции лучей, падающих на пленку под одинаковыми углами, носят названия полос равного наклона.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Полосы равного наклона. Интерференционные полосы называются полосами равного наклона, если они возникают при падении света на плоскопараллельную пластинку (пленку) под фиксированным углом в результате интерференции лучей, отраженных от обеих поверхностей пластинки (пленки) и выходящих параллельно друг другу.

Полосы равного наклона локализованы в бесконечности, поэтому для наблюдения интерференционной картины экран помещают в фокальной плоскости собирающей линзы (как для получения изображения бесконечно удаленных предметов) (рис. 22.3).

Рис. 22.3.

Радиальная симметрия линзы приводит к тому, что интерференционная картина на экране будет иметь вид концентрических колец с центром в фокусе линзы.

Пусть из воздуха (я, ~ 1) на плоскопараллельную прозрачную пластинку с показателем преломления я 2 и толщиной d под углом О падает плоская монохроматическая световая волна с длиной волны X (рис. 22.3).

В точке А световой луч SA частично отражается и частично преломляется.

Отраженный луч 1 и отраженный в точке В луч 2 когерентны и параллельны. Если собирающей линзой их свести в точку Р, то они будут интерферировать в отраженном свете.

Будем учитывать особенность отражения электромагнитных волн и, в частности, световых волн при падении их из среды с меньшей диэлектрической проницаемостью (и меньшим показателем преломления) на границу раздела двух сред: при отражении волны от оптически более плотной среды (п 2 > я,) ее фаза изменяется на л, что равносильно так называемой «потере полуволны» (±А/2) при отражении, т.е. оптическая разность хода А изменяется на Х/2 .

Поэтому оптическая разность хода интерферирующих лучей определяется как

Используя закон преломления (sin 0 = « 2 sind"), а также то, что я, = 1, АВ- ВС = d / cos O" и AD - АС sin fs-2d tgO" sin О, можно получить

Следовательно, оптическая разность хода волн А определяется углом О, однозначно связанным с положением точки Р в фокальной плоскости линзы.

Согласно формулам (22.6) и (22.7) положение светлых и темных полос определяется следующими условиями:

Таким образом, для данных X, d и п 2 каждому наклону 0 лучей относительно пластинки соответствует своя интерференционная полоса.

Полосы равной толщины. Пусть на прозрачную тонкую пластинку (пленку) переменной толщины - клин с малым углом а между боковыми гранями - падает плоская монохроматическая световая волна в направлении параллельных лучей 1 и 2 (рис. 22.4). Интенсивность интерференционной картины, формируемой когерентными лучами, отраженными от верхней

от толщины клина в данной точке (d и d" для лучей 1 и 2 соответственно).

Рис. 22.4. Наблюдение полос равной и нижней поверхностей клина, зависит

Когерентные пары лучей (Г и Г , 2 и 2") пересекаются вблизи поверхности клина (соответственно точки О и О") и собираются линзой на экране (соответственно в точках Р и Р").

Таким образом, на экране возникает система интерференционных полос - полос равной толщины, каждая из которых возникает при отражении от участков клина с одинаковой толщиной. Полосы равной толщины локализованы вблизи поверхности клина (в плоскости 00", отмеченной пунктиром).

Когда световые пучки от протяженного источника света падают на прозрачный клин почти нормально, то оптическая разность хода

и зависит только от толщины клина d в точке падения лучей. Это объясняет тот факт, что интерференционные полосы на поверхности клина имеют одинаковую освещенность на всех точках поверхности, где толщина клина одинакова.

Если т - число светлых (или темных) интерференционных полос, приходящихся на отрезок клина длиной /, то угол при вершине клина (sinа ~ а), выраженный в радианах, рассчитывается как

где d ] и d 2 - толщины клина, на которых располагаются соответственно к -я и (к + т )-я интерференционные полосы; Ах - расстояние между этими полосами.

Кольца Ньютона. Кольца Ньютона - классический пример кольцевых полос равной толщины , которые наблюдаются при отражении монохроматического света с длиной волны X от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны.

Рис. 22.5.

Параллельный пучок света падает нормально на плоскую поверхность линзы (рис. 22.5). Полосы равной толщины имеют вид концентрических окружностей с центром соприкосновения линзы с пластинкой.

Получим условие образования темных колец. Они возникают там, где оптическая разность хода Д волн, отраженных от обеих поверхностей зазора, равна нечетному числу полуволн:

где Х/2 связано с «потерей» полуволны при отражении от пластинки.

Используем оба последних уравнения. Следовательно, в отраженном свете радиусы темных колец

Значению т = 0 соответствует минимум темного пятна в центре картины.

Аналогично получим, что радиусы светлых колец определяются как

Данные формулы для радиусов колец справедливы только в случае идеального (точечного) контакта сферической поверхности линзы с пластинкой.

Интерференцию можно наблюдать и в проходящем свете, причем в проходящем свете максимумы интерференции соответствуют минимумам интерференции в отраженном свете и наоборот.

Просветление оптики. Объективы оптических приборов содержат большое количество линз. Даже незначительное отражение света каждой

Рис. 22.6.

из поверхностей линз (около 4% падающего света) приводит к тому, что интенсивность прошедшего пучка света значительно уменьшается. Кроме того, в объективах возникают блики и фон рассеянного света, что снижает эффективность оптических систем. В призменном бинокле, например, суммарная потеря светового потока достигает -50%, но на границах сред можно создать такие условия, когда интенсивность света, прошедшего через оптическую систему, будет максимальна. Например, на поверхность линз наносят тонкие пленки прозрачного диэлектрика толщиной d с показателем преломления п ъ (рис. 22.6). При d - NX/4 (N - нечетное число) интерференция лучей Г и 2, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки, даст минимум интенсивности отраженного света.

Обычно просветление оптики выполняют для средней (желто-зеленой) области видимого спектра. Как следствие, в отраженном свете объективы кажутся пурпурными из-за смешения красного и фиолетового цвета. Современные технологии синтеза оксидных пленок (например, золь-гель-методом) позволяют создавать на основе элементов структуры металл - оксид - полупроводник новые просветляющие защитные покрытия в оптоэлектронике.

При падении световой волны на тонкую прозрачную пластинку (или пленку) происходит отражение от обеих поверхностей пластинки. В результате возникают две световые волны, которые при известных условиях могут интерферировать.

Пусть на прозрачную плоскопараллельную пластинку падает плоская световая волна, которую можно рассматривать как параллельный пучок лучей (рис. 122.1). Пластинка отбрасывает вверх два параллельных пучка света, из которых один образовался за счет отражения от верхней поверхности пластинки, второй - вследствие отражения от нижней поверхности (на рис. 122.1 каждый из этих пучков представлен только одним лучом). При входе в пластинку и при выходе из нее второй пучок претерпевает преломление. Кроме этих двух пучков, пластинка отбросит вверх пучки, возникающие в результате трех-, пяти- и т. д. кратного отражения от поверхностей пластинки. Однако ввиду их малой интенсивности мы эти пучки принимать во внимание не будем. Не будем также интересоваться пучками, прошедшими через пластинку.

Разность хода, приобретаемая лучами 1 и 2 до того, как они сойдутся в точке С, равна

где - длина отрезка ВС, - суммарная длина отрезков АО и ОС, - показатель преломления пластинки.

Показатель преломления среды, окружающей пластинку, полагаем равным единице. Из рис. 122.1 видно, что толщина пластинки). Подстановка этих значений в выражение (122.1) дает, что

Произведя замену и учтя, что

легко привести формулу для к виду

При вычислении разности фаз между колебаниями в лучах 1 и 2 нужно, кроме оптической разности хода , учесть возможность изменения фазы волны при отражении (см. § 112). В точке С (см. рис. 122.1) отражение происходит от границы раздела среды, оптически менее плотной, со средой, оптически более плотной. Поэтому фаза волны претерпевает изменение на . В точке О отражение происходит от границы раздела среды оптически более плотной со средой оптически менее плотной, так что скачка фазы не происходит. В итоге между лучами 1 и 2 возникает дополнительная разность фаз, равная Ее можно учесть, добавив к (или вычтя из нее) половину длины волны в вакууме. В результате получим

Итак, при падении на пластинку плоской волны образуются две отраженные волны, разность хода которых определяется формулой (122.3). Выясним условия, при которых эти волны окажутся когерентными и смогут интерферировать. Рассмотрим два случая.

1. Плоскопараллельная пластинка. Обе плоские отраженные волны распространяются в одном направлении, образующем с нормалью к пластинке угол, равный углу падения .

Эти волны смогут интерферировать, если будут соблюдены условия как временной, так и пространственной когерентности.

Для того чтобы имела место временная когерентность, разность хода (122.3) не должна превышать длину когерентности; равную (см. формулу (120.9)). Следовательно, должно соблюдаться условие

В полученном соотношении половиной можно пренебречь по сравнению с Выражение имеет величину порядка единицы. Поэтому можно написать

(удвоенная толщина пластинки должна быть меньше длины когерентности).

Таким образом, отраженные волны будут когерентными только в том случае, если толщина пластинки не превышает величины, определяемой соотношением (122.4). Положив , получим предельное значение толщины, равное

Теперь рассмотрим условия соблюдения пространственной когерентности. Поставим на пути отраженных пучков, экран Э (рис. 122.2). Приходящие в точку Р лучи и отстоят в падающем пучке на расстояние . Если это расстояние не превышает радиуса когерентности рког падающей волны, лучи 1 и 2 будут когерентными и создадут в точке Р освещенность, определяемую значением разности хода , отвечающим углу падения Другие пары лучей, идущие под тем же углом создадут в остальных точках экрана такую же освещенность. Таким образом, экран окажется равномерно освещенным (в частном случае, когда экран будет темным). При изменении наклона пучка (т. е. при изменении угла ) освещенность экрана будет меняться.

Из рис. 122.1 видно, что расстояние между падающими лучами 1 и 2 равно

Если принять то для получается а для

Для нормального падения при любом .

Радиус когерентности солнечного света имеет значение порядка 0,05 мм (см. (120.15)). При угле падения в 45° можно положить Следовательно, для возникновения интерференции в этих условиях должно выполняться соотношение

(122.7)

(ср. с (122.5)). Для угла падения порядка 10° пространственная когерентность будет сохраняться при толщине пластинки, не превышающей 0,5 мм. Таким образом, мы приходим к выводу, что вследствие ограничений, накладываемых временной и пространственной когерентностями, интерференция при освещении пластинки солнечным светом наблюдается только в том случае, если толщина пластинки не превышает нескольких сотых миллиметра. При освещении светом с большей степенью когерентности интерференция наблюдается и при отражении от более толстых пластинок или пленок.

Практически интерференцию от плоскопараллельной пластинки наблюдают, поставив на пути отраженных пучков линзу, которая собирает лучи в одной из точек экрана, расположенного в фокальной плоскости линзы (рис. 122.3). Освещенность в этой точке зависит от значения величины (122.3). При получаются максимумы, при - минимумы интенсивности ( - целое число). Условие максимума интенсивности имеет вид

Пусть тонкая плоскопараллельная пластинка освещается рассеянным монохроматическим светом (см. рис. 122.3). Расположим параллельно пластинке линзу, в фокальной плоскости которой поместим экран. В рассеянном свете имеются лучи самых разнообразных направлений.

Лучи, параллельные плоскости рисунка и падающие на пластинку под углом после отражения от обеих поверхностей пластинки соберутся линзой в точке Р и создадут в этой точке освещенность, определяемую значением оптической разности хода. Лучи, идущие в других плоскостях, но падающие на пластинку под тем же углом соберутся линзой в других точках, отстоящих от центра экрана О на такое же расстояние, как и точка Р. Освещенность во всех этих точках будет одинакова. Таким образом, лучи, падающие на пластинку под одинаковым углом создадут на экране совокупность одинаково освещенных точек, расположенных по окружности с центром в О. Аналогично, лучи, падающие под другим углом Ф" создадут на экране совокупность одинаково (но иначе, поскольку Д иная) освещенных точек, расположенных по окружности другого радиуса. В результате на экране возникнет система чередующихся светлых и темных круговых полос с общим центром в точке О. Каждая полоса образована лучами, падающими на пластинку под одинаковым углом Поэтому получающиеся в описанных условиях интерференционные полосы носят название полос равного наклона. При ином расположении линзы относительно пластинки (экран во всех случаях должен совпадать с фокальной плоскостью лйнзы) форма полос равного наклона будет другой.

Каждая точка интерференционной картины обусловлена лучами, образующими до прохождения через линзу параллельный пучок. Поэтому при наблюдении полос равного наклона экран должен располагаться в фокальной плоскости линзы, т. е. так, как его располагают для получения на нем изображения бесконечно удаленных предметов. В соответствии с этим говорят, что полосы разного наклона локализованы в бесконечности. Роль линзы может играть хрусталик, а экрана - сетчатка глаза. В этом случае для наблюдения полос равного наклона глаз должен быть аккомодирован так, как при рассматривании очень удаленных предметов.

Согласно формуле (122.8) положение максимумов зависит от длины волны Поэтому в белом свете получается совокупность смещенных друг относительно друга полос, образованных лучами разных цветов, и интерференционная картина приобретает радужную окраску. Возможность наблюдения интерференционной картины в белом свете определяется способностью глаза различать оттенки света близких длин волн. Лучи, отличающиеся по длине волны менее чем на 20 А, средний глаз воспринимает как имеющие одинаковый цвет. Поэтому для оценки условий, при которых может наблюдаться интерференция от пластинок в белом свете, следует положить равным 20 А. Именно такое значение было нами взято при оценке толщины пластинки (см. (122.5)).

2. Пластинка переменной толщины. Возьмем пластинку в виде клина с углом при вершине (рис. 122.4).

Пусть на нее падает параллельный пучок лучей. Теперь лучи, отразившиеся от разных поверхностей пластинки, не будут параллельными. Два до падения на пластинку практически сливающихся луча (на рис. 122.4 они изображены в виде одной прямой линии, обозначенной цифрой ) пересекаются после отражения в точке Q. Два практически сливающихся луча 1" пересекаются в точке Можно показать, что точки Q, Q" и другие аналогичные им точки лежат в одной плоскости, проходящей через вершину клииа О. Отразившийся от нижней поверхности клина луч V и отразившийся от верхней поверхности луч 2 пересекутся в точке R, расположенной ближе к клину, чем Q. Аналогичные лучи Г и 3 пересекутся в точке Р, отстоящей от поверхности клина дальше, чем

Направления распространения волн, отраженных от верхней и нижней поверхностей клииа, не совпадают. Временная когерентность будет соблюдаться только для частей волн, отразившихся от мест клина, для которых толщина удовлетворяет условию (122.4). Допустим, что это условие выполняется для всего клина. Кроме того, предположим, что радиус когерентности намного превышает длину клина. Тогда отраженные волны будут когерентными во всем пространстве над клином, и при любом расстоянии экрана от клина нем будет наблюдаться интерференционная картина в виде полос, параллельных вершине клина О (см. три последних абзаца § 119). Так, в частности, обстоит дело при освещении клина светом, испускаемым лазером.

При ограниченной пространственной когерентности область локализации интерференционной картины (т. е. область пространства, располагая в которой экран можно наблюдать на нем интерференционную картину) также оказывается ограниченной. Если расположить экран так, чтобы он проходил через точки (см. экран Э на рис. 122.4), на экране возникнет интерференционная картина даже в том случае, если пространственная когерентность падающей волны крайне мала (в точках экрана пересекаются лучи, которые до падения на клин совпадали).

При малом угле клина разность хода лучей можно с достаточной степенью точности вычислять по формуле (122.3), беря в качестве b толщину пластинки в месте падения на нее лучей. Поскольку разность хода для лучей, отразившихся от различных участков клина, теперь неодинакова, освещенность экрана будет неравномерной - на экране появятся светлые и темные полосы (см. на рис. 122.4 пунктирную кривую, показывающую освещенность экрана Э). Каждая из таких полос возникает в результате отражения от участков клина с одинаковой толщиной, вследствие чего их называют полосами равной толщины.

При смещении экрана из положения Э в направлении от клина или к клину начинает сказываться степень пространственной когерентности падающей волны. Если в положении экрана, обозначенном на рис. 122.4 через Э, расстояние между падающими лучами 1 и 2 станет порядка радиуса когерентности, интерференционная картина на экране Э наблюдаться не будет. Аналогично картина исчезает в положении экрана, обозначенном через

Таким образом, интерференционная картина, получающаяся при отражении от клина плоской волны, оказывается локализованной в некоторой области вблизи поверхности клина, причем эта область тем уже, чем меньше степень пространственной когерентности падающей волны. Из рис. 122.4 видно, что по мере приближения к вершине клина становятся более благоприятными условия как временной, так и пространственной когерентности. Поэтому отчетливость интерференционной картины уменьшается при перемещении от вершины клина к его основанию. Может случиться, что картина наблюдается только для более тонкой части клина. Для остальной части на экране возникает равномерная освещенность.

Практически полосы равной толщины наблюдают, поместив вблизи клина линзу и за ней экран (рис. 122.5). Роль линзы может играть хрусталик, а роль экрана - сетчатка глаза. Если экран за линзой расположен в плоскости, сопряженной с плоскостью, обозначенной на рис. 122.4 через Э (соответственно глаз аккомодирован на эту плоскость), картина будет наиболее четкой. При перемещении экрана, на который проектируется изображение (либо при перемещении линзы), картина будет ухудшаться и исчезнет совсем, когда плоскость, сопряженная с экраном, выйдет за пределы области локализации интерференционной картины, наблюдаемой без линзы.

При наблюдении в белом свете полосы будут окрашенными, так что поверхность пластинки или пленки представляется имеющей радужную окраску. Такую окраску имеют, например, расплывшиеся на поверхности воды тонкие пленки нефти или масла, а также мыльные пленки. Цвета побежалости, возникающие на поверхности стальных изделий при их закалке, тоже обусловлены интерференцией от пленки прозрачных окислов.

Сопоставим два рассмотренных нами случая интерференции при отражении от тонких пленок. Полосы равного наклона получаются при освещении пластинки постоянной толщины ) рассеянным светом, в котором содержатся лучи различных направлений варьирует в более или менее широких пределах). Локализованы полосы равного наклона в бесконечности. Полосы равной толщины наблюдаются при освещении пластинки непостоянной толщины изменяется) параллельным пучком света ). Локализованы полосы равной толщины вблизи пластинки. В реальных условиях, например при наблюдении радужных цветов на мыльной или масляной пленке, изменяется как угол падения лучей, так и толщина пленки. В этом случае наблюдаются полосы смешанного типа.

Заметим, что интерференция от тонких пленок может наблюдаться не только в отраженном, но и в проходящем свете.

Кольца Ньютона. Классическим примером полос равной толщины являются кольца Ньютона. Они наблюдаются при отражении света от соприкасающихся друг с другом плоскопараллельной толстой стеклянной пластинки и плосковыпуклой линзы с большим радиусом кривизны (рис. 122.6). Роль тонкой пленки, от поверхностей которой отражаются когерентные волны, играет воздушный зазор между пластинкой и линзой (вследствие большой толщины пластинки и линзы за счет отражений от других поверхностей интерференционные полосы не возникают). При нормальном падении света полосы равной толщины имеют вид концентрических окружностей, при наклонном падении - эллипсов. Найдем радиусы колец Ньютона, получающихся при падении света по нормали к пластинке. В этом случае и оптическая разность хода равна удвоенной толщине зазора (см. формулу (122.2); предполагается, что в зазоре ). Из рис. 122.6 следует, что - радиусы темных колец. Значению соответствует т. е. точка в месте касания пластинки и линзы. В этой точке наблюдается минимум интенсивности, обусловленный изменением фазы на при отражении световой волны от пластинки.

Просветление оптики. Интерференция при отражении от тонких пленок лежит в основе просветления оптики. Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы сопровождается отражением примерно 4% падающего света. В сложных объективах такие отражения совершаются многократно и суммарная потеря светового потока достигает заметной величины. Кроме того, отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов. В просветленной оптике для устранения отражения света на каждую свободную поверхность линзы наносится тонкая пленка вещества с показателем преломления иным, чем у линзы. Толщина пленки подбирается так, чтобы волны, отраженные от обеих ее поверхностей, погашали друг друга. Особенно хороший результат достигается в том случае, если показатель преломления пленки равен корню квадратному из показателя преломления линзы. При этом условии интенсивность обеих отраженных от поверхностей пленки волн одинакова.

При освещении тонкой прозрачной пластинки или пленки можно наблюдать интерференцию световых волн, отраженных от верхней и нижней поверхностей пластинки (рис. 26.4). Рассмотрим плоскопараллельную пластинку толщины / с показателем преломления п } на которую под углом а падает плоская монохроматическая волна с длиной волны X. Предположим для определенности, что луч падает на пластинку из воздуха с показателем преломления

а пластинка лежит на подложке с показателем преломления

Рис. 26.4

Такая ситуация имеет место, например, при интерференции в тонкой пластинке или пленке, окруженной воздухом.

Найдем оптическую разность хода интерферирующих лучей 2 и 3 между точкой А и плоскостью CD. Именно эта разность определяет интерференционную картину, поскольку расположенная далее собирающая линза (или глаз) лишь сводит два интерферирующих луча в один. При этом надо учесть, что в соответствии с опытом отражение от оптически более плотной среды в точке А ведет к изменению фазы на Х/2 (на противоположную), а отражение от оптически менее плотной среды в точке В не ведет к изменению фазы волны. Таким образом, набирается оптическая разность хода интерферирующих лучей 2 и 3, равная

Из аАВО следует, что

Из aACD с учетом закона преломления-= п имеем

J sin р

AD = АС sina = 2/10sina = 2/tgPsina = 2w/tgpsinp = 2rc/sin 2 p/cosp.

Тогда оптическая разность хода равна

Эту формулу удобней анализировать, если из закона преломления выразить угол преломления через угол падения:

Из условия максимума (26.19) имеем

В свою очередь условие минимума (26.20) дает

(в последней формуле нумерация целых чисел для упрощения вида формулы сдвинута на единицу).

Согласно формулам в зависимости от угла падения монохроматического света пластинка в отраженном свете может выглядеть светлой или темной. Если пластинку освещать белым светом, то условия максимума и минимума могут выполняться для отдельных длин волн и пластинка выглядит окрашенной. Этот эффект можно наблюдать на стенках мыльных пузырьков, на пленках масла и нефти, на крыльях насекомых и птиц, на поверхности металлов при их закалке (цвета побежалости).

Если монохроматический свет падает на пластинку переменной толщины, то условия максимума и минимума определяются толщиной /. Поэтому пластинка выглядит покрытой светлыми и темными полосами. При этом в клине - это параллельные линии, а в воздушном промежутке между линзой и пластинкой - кольца (кольца Ньютона).

Прямое отношение к интерференции в тонких пленках имеет просветление оптики. Как показывают расчеты, отражение света приводит к уменьшению интенсивности прошедшего света на несколько процентов даже почти при нормальном падении света на линзу. Учитывая, что современные оптические устройства содержат достаточно большое количество линз, зеркал, светоделительных элементов, потери интенсивности световой волны без применения специальных мер могут стать значительными. Для уменьшения потерь на отражение используется покрытие оптических деталей пленкой со специальным образом подобранными толщиной / и показателем преломления п и. Идея уменьшения интенсивности отраженного света от поверхности оптических деталей состоит в интерференционном гашении волны, отраженной от внешней поверхности пленки, волной, отраженной от внутренней поверхности пленки (рис. 26.5). Для осуществления этого желательно, чтобы амплитуды обеих волн были равны, а фазы отличались на 180°. Коэффициент отражения света на границе сред определяется относительным показателем преломления сред. Так, если Рис. 26.5

свет проходит из воздуха в линзу с показателем преломления п у то условие равенства относительных показателей преломления на входе в пленку и выходе из нее сводится к соотношению

Толщина пленки подбирается исходя из условия, чтобы дополнительный набег фазы света был равен нечетному числу полуволн. Таким способом удается ослабить отражение света в десятки раз.