Классическая схема интерференции и примеры ее реализации. Ширина интерференционной полосы

классические интерференционные схемы: зеркало Ллойда, бизеркала и бипризма Френеля. В этих схемах реализуется идея опыта Юнга: получить два когерентных источника для наблюдения интерференции путем деления пучка света, испускаемого одним источником, на два пучка.

Максимумы интерференции наблюдаются в тех точках, в которые интерферирующие волны приходят в одинаковой фазе, т.е. при d = 2pn, где n – целое число, положительное или отрицательное. Тогда разность хода равна:

D = nl.

Минимумы наблюдаются в тех точках, в которые волны приходят в противофазе. Для этих точек разность фаз , что соответствует разности хода

.

Для того чтобы максимумы и минимумы были более четкими, амплитуды складываемых колебаний должны быть равными. При наблюдении интерференции необходимо, чтобы разность хода волн была менее длины цуга. Иначе будут складываться колебания, создаваемые разными цугами, и условие когерентности выполняться не будет.

Рассмотрим схему Юнга. Источниками света в оригинальном опыте Юнга являлись две узкие щели, интерференция наблюдалась на удаленном экране. На рис. 1 S₁ и S₂ – источники света, S₁М и S₂М – расстояния от источников до точки наблюдения М. Проведем S₁А перпендикулярно S₂М. Треугольники S₁S₂А и ВМО подобны. В практически применяемых интерференционных схемах угол между интерферирующими лучами S₁МS₂ мал (порядка долей градуса), т.е. расстояние от источников до экрана гораздо больше расстояния между самими источниками. Поэтому S₂А приближенно равна разности хода D = S₂М - S₁М.

Из подобия треугольников имеем: D /d» x/L, откуда

x = L D /d,

где х = ОМ – координата точки наблюдения на экране, d = S₁S₂ – расстояние между источниками, L = ВО – расстояние от источников до экрана.

Если в точке М наблюдается максимум, то разность хода лучей в этой точке равна целому числу длин волн. Тогда согласно (5) координаты точек максимумов равны (n – целое число: n = 0, ±1, ±2, ±3,…, называемое порядком интерференционного максимума). Между максимумами находятся минимумы. Расстояние между соседними максимумами и между соседними минимумами одинаково и равно

.

Если на пути одного из лучей, например, верхнего, поставить тонкую прозрачную пластинку с показателем преломления n и толщиной h, то между лучами возникнет дополнительная оптическая разность хода , т.к. один из лучей проходит путь h в воздухе, а второй это расстояние проходит в веществе пластинки. Вследствие этого вся интерференционная картина сместится в ту сторону, где находится пластина, т.е. в нашем примере вверх. Если дополнительная разность хода равна длине волны, то произойдет смещение на ширину одной интерференционной полосы. Если произошло смещение картины на N полос (N может быть и дробным), то дополнительная оптическая разность хода:

.

Эта формула позволяет, зная λ, определить как показатель преломления пластины (если известна толщина), так и ее толщину при известном показателе преломления.

Если в схеме Юнга через y обозначить смещение точки наблюдения от плоскости симметрии, то для случая, когда d << L и y << L (в оптических экспериментах эти условия обычно выполняются), можно приближенно получить:

При смещении вдоль координатной оси y на расстояние, равное ширине интерференционной полосы Δl, т. е. при смещении из одного интерференционного максимума в соседний, разность хода Δ изменяется на одну длину волны λ. Следовательно,

где ψ – угол схождения «лучей» в точке наблюдения P. Выполним количественную оценку. Допустим, что расстояние d между щелями S₁ и S₂ равно 1 мм, а расстояние от щелей до экрана Э составляет L = 1 м, тогда ψ = d / L = 0,001 рад. Для зеленого света (λ = 500 нм) получим Δl = λ / ψ = 5 · 10⁵ нм = 0,5 мм. Для красного света (λ = 600 нм) Δl = 0,6 мм. Таким путем Юнг впервые измерил длины световых волн, хотя точность этих измерений была невелика.

Следует подчеркнуть, что в волновой оптике, в отличие от геометрической оптики, понятие луча света утрачивает физический смысл. Термин «луч» употребляется здесь для краткости для обозначения направления распространения волны. В дальнейшем этот термин будет употребляться без кавычек.

В эксперименте Ньютона (рис. 3.7.1) при нормальном падении волны на плоскую поверхность линзы разность хода приблизительно равна удвоенной толщине 2h воздушного промежутка между линзой и плоскостью. Для случая, когда радиус кривизны R линзы велик по сравнению с h, можно приближенно получить:

где r – смещение от оси симметрии. При написании выражения для разности хода следует также учесть, что волны 1 и 2 отражаются при разных условиях. Первая волна отражается от границы стекло–воздух, а вторая – от границы воздух–стекло. Во втором случае происходит изменение фазы колебаний отраженной волны на π, что эквивалентно увеличению разности хода на λ / 2. Поэтому

При r = 0, то есть в центре (точка соприкосновения) Δ = λ / 2; поэтому в центре колец Ньютона всегда наблюдается интерференционный минимум – темное пятно. Радиусы r_m последующих темных колец определяются выражением

Эта формула позволяет экспериментально определить длину волны света λ, если известен радиус кривизны R линзы.