Интерференционные полосы равного наклона . При освещении тонкой пленки происходит наложение волн от одного и того же источника, отразившихся от передней и задней поверхностей пленки. При этом может возникнуть интерференция света. Если свет белый, то интерференционные полосы окрашены. Интерференцию в пленках можно наблюдать на стенках мыльных пузырей, на тонких пленках масла или нефти, плавающих на поверхности воды, на пленках, возникающих на поверхности металлов или зеркала.
Рассмотрим сначала плоскопараллельную пластинку толщины с показателем преломления (рис. 2.11). Пусть на пластинку падает плоская световая волна, которую можно рассматривать как параллельный пучок лучей. Пластинка отбрасывает вверх два параллельных пучка света, один из которых образовался за счет отражения от верхней поверхности пластинки, второй – вследствие отражения от нижней поверхности. Каждый из этих пучков представлен на рис. 2.11 только одним лучом.
При входе в пластинку и при выходе из нее пучок 2 претерпевает преломление. Кроме двух пучков и , пластинка отбрасывает вверх пучки, возникающие в результате трех-, пяти- и т.д. кратного отражения от поверхностей пластинки. Однако ввиду малой интенсивности их можно не принимать во внимание.
Рассмотрим интерференцию лучей, отраженных от пластинки. Поскольку на пластинку падает плоская волна, то фронт этой волны представляет собой плоскость, перпендикулярную лучам 1 и 2. На рис. 2.11 прямая ВС представляет собой сечение волнового фронта плоскостью рисунка. Оптическая разность хода, приобретаемая лучами 1 и 2 до того, как они сойдутся в точке С, будет
| , | (2.13) |
где – длина отрезка ВС, а – суммарная длина отрезков АО и ОС. Показатель преломления среды, окружающей пластинку, полагаем равным единице. Из рис. 2.11 видно, что 
, . Подстановка этих выражений в (2.13) дает . Воспользуемся законом преломления света: 
; и учтем, что , тогда для разности хода получим следующее выражение: 
.
При вычислении разности фаз между колебаниями в лучах и нужно, кроме оптической разности хода D, учесть возможность изменения фазы при отражении в точке С. В точке С отражение волны происходит от границы раздела среды оптически менее плотной со средой оптически более плотной. Поэтому фаза волны претерпевает изменение на p. В точке отражение происходит от границы раздела среды оптически более плотной со средой оптически менее плотной, и скачка фазы в этом случае не происходит. Качественно это можно представить себе следующим образом. Если толщину пластинки устремить к нулю, то полученная нами формула для оптической разности хода дает . Поэтому при наложении лучей и должно происходить усиление колебаний. Но это невозможно, так как бесконечно тонкая пластинка вообще не может оказывать влияния на распространение света. Поэтому волны, отраженные от передней и задней поверхности пластинки, должны при интерференции гасить друг друга. Их фазы должны быть противоположны, то есть оптическая разность хода D при d →0 должна стремиться к . Поэтому к прежнему выражению для D нужно прибавить или вычесть , где λ 0 – длина волны в вакууме. В результате получается:
 .
| (2.14) |
Итак, при падении на пластинку плоской волны образуются две отраженные волны, разность хода которых определяется формулой (2.14). Эти волны могут интерферировать, если оптическая разность хода не превышает длину когерентности. Последнее требование для солнечного излучения приводит к тому, что интерференция при освещении пластинки наблюдается только в том случае, если толщина пластинки не превышает нескольких сотых миллиметра.
Практически интерференцию от плоскопараллельной пластинки наблюдают, поставив на пути отраженных пучков линзу, которая собирает пучки в одной из точек экрана, расположенного в фокальной плоскости линзы. Освещенность в этой точке зависит от оптической разности хода. При получаются максимумы, при – минимумы интенсивности. Следовательно, условие максимумов интенсивности имеет вид:
 ,
| (2.15) |
а минимумов:
 .
| (2.16) |
Эти соотношения получены для отраженного света.
Пусть тонкая плоскопараллельная пластинка освещается рассеянным монохроматическим светом. Расположим параллельно пластинке линзу, в фокальной плоскости которой поместим экран (рис. 2.12). 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 и создадут в этой точке освещенность, определяемую значением оптической разности хода. Лучи, идущие в других плоскостях, но падающие на пластику под тем же углом, соберутся линзой в других точках, отстоящих от центра экрана на такое же расстояние, как и точка . 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 точке О. Аналогично, лучи, падающие под другим углом , создадут на экране совокупность одинаково освещенных точек, расположенных по окружности другого радиуса . Но освещенность этих точек будет иной, так как им соответствует другая оптическая разность хода.
В результате на экране возникнет совокупность чередующихся темных и светлых круговых полос с общим центром в точке О. Каждая полоса образована лучами, падающими на пластину под одинаковым углом. Поэтому получающиеся в этом случае интерференционные полосы называютсяполосами равного наклона.
Согласно (2.15) положение максимумов интенсивности зависит от длины волны , поэтому в белом свете получается совокупность смещенных друг относительно друга полос, образованных лучами разных цветов, и интерференционная картина приобретет радужную окраску.
Для наблюдения полос равного наклона экран должен располагаться в фокальной плоскости линзы, так, как его располагают для получения бесконечно удаленных предметов. Поэтому говорят, что полосы равного наклона локализованы в бесконечности. Роль линзы может играть хрусталик глаза, а экрана – сетчатка глаза.
Интерференционные полосы равной толщины.
Возьмем теперь пластинку в виде клина. Пусть на нее падает параллельный пучок лучей (рис. 2.13). Но теперь лучи, отразившись от разных поверхностей пластинки, не будут параллельными. 
Два до падения на пластинку практически сливающихся луча после отражения от верхней и нижней поверхностей клина пересекаются в точке . Два практически сливающихся луча после отражения пересекаются в точке . Можно показать, что точки и лежат в одной плоскости, проходящей через вершину клина О
.
Если расположить экран Э
так, чтобы он проходил через точки и , на экране возникнет интерференционная картина. При малом угле клина разность хода лучей, отраженных от его верхней и нижней поверхностей, можно с достаточной степенью точности вычислить по формуле 
, полученной для плоскопараллельной пластинки, беря в качестве толщину клина в месте падения на нее лучей. Поскольку разность хода лучей, отразившихся от разных участков клина, теперь неодинакова, освещенность будет неравномерной – на экране появятся светлые и темные полосы. Каждая из таких полос возникает в результате отражения от участков клина с одинаковой толщиной, вследствие чего их называют полосами равной толщины.
Таким образом, интерференционная картина, получающаяся при отражении от клина плоской волны, оказывается локализованной в некоторой области вблизи поверхности клина. По мере удаления от вершины клина растет оптическая разность хода, и интерференционная картина становится все менее отчетливой.
Рис. 2.14
|
При наблюдении в белом свете полосы будут окрашенными, так что поверхность пластинки будет иметь радужную окраску. В реальных условиях при наблюдении, например, радужных цветов на мыльной пленке изменяется как угол падения лучей, так и толщина пленки. В этом случае наблюдаются полосы смешанного типа.
Полосы равной толщины легко наблюдать на плоской проволочной рамке, которую окунули в мыльный раствор. Затягивающая её мыльная плёнка покрывается горизонтальными интерференционными полосами, получившимися при интерференции волн, отразившихся от разных поверхностей пленки (рис. 2.14). С течением времени мыльный раствор стекает, и интерференционные полосы съезжают вниз.
Если проследить за поведением сферического мыльного пузыря, то легко обнаружить, что его поверхность покрыта цветными кольцами, медленно сползающими к его основанию. Смещение колец говорит о постепенном утончении стенок пузыря.
Кольца Ньютона
Классическим примером полос равной толщины являются кольца Ньютона. Они наблюдаются при отражении света от соприкасающихся друг с другом плоскопараллельной стеклянной пластинки и плоско-выпуклой линзы с большим радиусом кривизны (рис. 2.15). Роль тонкой пленки, от поверхности которой отражаются 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 окружностей, при наклонном – эллипсов.
Найдем радиусы колец Ньютона, получающихся при падении света по нормали к пластинке. В этом случае и . Из рис. 2.15 видно, что , где – радиус кривизны линзы, – радиус окружности, всем точкам которой соответствует одинаковый зазор . Величиной можно пренебречь, тогда . Чтобы учесть возникающее при отражении от пластинки изменение фазы на p, нужно добавить к разности хода : , то есть в месте касания пластинки и линзы наблюдается минимум интенсивности, обусловленный изменением фазы на p при отражении световой волны от пластинки.
Рис. 2.16
|
На рис. 2.16 представлен вид интерференционных колец Ньютона в красном и зеленом свете. Так как длина волны красного света больше, чем зеленого, то радиусы колец в красном свете больше радиусов колец с таким же номером в зеленом свете.
Если в установке Ньютона линзу перемещать вверх параллельно самой себе, то из-за увеличения толщины воздушной прослойки каждая окружность, соответствующая постоянной разности хода, будет стягиваться к центру картины. Достигнув центра, интерференционное кольцо превращается в кружок, исчезающий при дальнейшем перемещении линзы. Таким образом, центр картины будет попеременно становиться то светлым, то темным. Одновременно на периферии поля зрения будут зарождаться и перемещаться к центру новые интерференционные кольца, пока каждое из них не исчезнет в центре картины. При перемещении линзы непрерывно вверх пропадают кольца самых низких порядков интерференции и зарождаются кольца более высоких порядков.
Пример
Просветление оптики
Просветление оптики делается для уменьшения коэффициентов отражения поверхностей оптических деталей путём нанесения на них одной или нескольких непоглощающих плёнок. Без просветляющих плёнок потери на отражение света могут быть очень большими. В системах с большим числом поверхностей, например, в сложных объективах, потери света могут достигать 70 % и более, что ухудшает качество изображений, формируемых такими оптическими системами. Устранить это можно с помощью просветления оптики, которое является одним из важнейших применений интерференции в тонких пленках.
При отражении света от передней и задней поверхности пленки, нанесенной на оптическую деталь, в отраженном свете образуется минимум интенсивности в результате интерференции, а следовательно, в проходящем свете будет максимум интенсивности для этой длины волны. При нормальном падении света эффект будет максимален, если толщина тонкой плёнки равна нечётному числу четвертей длины световой волны в материале плёнки. Действительно, в этом случае потери половины длины волны при отражении не происходит, так как и на верхней, и на нижней поверхностях пленки волна отражается от границы раздела среды оптически менее плотной и оптически более плотной. Поэтому условие максимума интенсивности примет вид 
. Отсюда получим 
.
Изменяя толщину просветляющей плёнки, можно сместить минимум отражения в различные участки спектра.
Практически создать два когерентных источника света сложно (это достигается, в частности, использованием оптических квантовых генераторов - лазеров). Однако существует относительно простой способ осуществить интерференцию. Речь идет о расщеплении одного светового луча, а точнее - каждого цуга световой волны, на два с помощью отражений от зеркал, и затем сведении их в одной точке. При этом расщепленный цуг интерферирует «сам с собой» (являясь сам себе когерентным)! На рисунке 7.6 представлена принципиальная схема такого эксперимента. В точке О на границе двух сред с показателями преломления «1 и п 2 волновой цуг расщепляется на две части. С помощью двух зеркал Р и Р 2 оба луча направляются в точку М, в которой они интерферируют. Скорости распространения двух лучей в двух разных средах равны Oi = с/п и и 2 = с/п 2 . В точке М две части цуга сойдутся со сдвигом
Рис. 7.6. Прохождение частей цуга волн в двух средах с п х и п 2 . Р и Р 2 - зеркала
по времени, равным где =
= ОР х М и S 2 = ОР 2 М - суммарные геометрические пути световых лучей от точки О до точки М в разных средах. Колебания векторов напряженности электрического поля в точке М будут Е т cos со (Г - Si/v x) и Е 02 cos со(/ - S 2 /v 2) соответственно. Квадрат амплитуды результирующего колебания в точке М будет
Так как со = 2п/Т(Т - период колебаний), а и = с/п, то выражение в квадратных скобках равно Дер = (2n/cT)(S 2 n 2 - 5, л,) = (2n/ 0)(S 2 n 2 - - 5i«i), где / Ч) - длина световой волны в вакууме. Произведение длины пути S на показатель п преломления той среды, в которой распространяется свет (Sn), называют оптической длиной пути, а разность оптических длин путей обозначают символом Д и называют оптической разностью хода волн. Имея в виду, что сТ=Х 0 , можно записать
Это выражение связывает между собой разность фаз Дер колебаний и оптическую разность хода Д лучей двух частей «расщепленного цуга». Именно Дер определяет интерференционные эффекты. Действительно, наибольшей интенсивности соответствует cos Дер = 1, т.е. Дер = (2лДо)Д = = 2 лт. Отсюда вытекает условие усиления света при интерференции
где т - любое целое (т = 0, 1,2,...) число.
Наибольшему ослаблению света соответствует cos Аф = -1, т.е. Дф = (2т + 1)7г. Тогда (2т + 1)л= (2лДо)Д, или
также при целочисленныхт = 0, 1,2,....
Легко видеть, что описанное ранее сложение волн с четырехкратным усилением интенсивности соответствует смещению двух «частей» расщепленного цуга световых волн друг относительно друга на целое число длин волн (или, соответственно, изменению разности фаз Дф на четное число л), тогда как полное взаимное погашение волн при равенстве их интенсивностей («свет + свет» дает темноту!) наблюдается при смещении двух частей цуга на половину длины волны (на нечетное число полуволн, т.е., соответственно, при Дф = (2т + 1)л и любом целом т. Сделанное заключение определяет интерференционные эффекты во всех возможных случаях.
Рис. 7.7.
Рассмотрим в качестве примера интерференцию света при отражении от тонкой пленки (или от тонкой плоскопараллельной прозрачной пластины) толщиной d (рис. 7.7). Направление падающего на пленку луча отмечено на рисунке стрелкой. Расщепление цугов происходит в этом случае при частичном отражении каждой части цуга на верхней (точка А) и нижней (точка В) поверхности пленки. Будем считать, что световой луч идет из воздуха и уходит после точки В также в воздух (среду с показателем преломления, равным единице), а материал пленки имеет показатель преломления п > 1. Каждый цуг падающего под углом а луча в точке А расщепляется на две части: одна из них отражается (луч 1 на схеме), другая - преломляется (лучАВ). В точке В каждый цуг преломленного луча расщепляется вторично: он частично отражается от нижней поверхности пленки, а частично преломляется (пунктир) и выходит за ее пределы. В точке С цуг снова расщепляется на два, но нас будет интересовать только та его часть (луч 2), которая выходит из пленки под тем же углом а, что и луч 1. Отраженные от верхней поверхности пленки лучи 1 и 2 собираются линзой в одну точку (на рисунке не показана) на экране или в хрусталике глаза наблюдателя (та же линза). Будучи частями одного и того же первичного цуга, лучи 1 и 2 являются когерентными и могут участвовать в интерференции, причем усиление или ослабление интенсивности света зависит от их оптической разности хода (или разности фаз колебаний).
Разность фаз между колебаниями в волнах 1 и 2 создается на длинах пути AD (в воздухе) и АВС (в пленке). Оптическая разность хода составляет при этом
Имея в виду, что
sin а = п sin р (закон преломления), можно получить Д = (2dn/ cos Р)(1 - sin 2 p) или Д = 2dn cos р. Вследствие того, что условия задачи задаются обычно не углом преломления р, а углом падения а, величину Д удобнее представить в виде
При определении условий максимума или минимума интенсивности света следовало бы приравнять величину Д целому или полуцелому числу длин волн (условия (7.6) и (7.7)). Однако помимо оценки оптической разности хода Д, следует иметь в виду также возможность «потери» (или, что то же самое, «приобретения») половины длины волны лучом при отражении от оптически более плотной среды. Реализация этой возможности зависит от конкретной задачи, точнее от того, какая среда окружает пленку. Если пленка с п > 1 окружена воздухом с п = 1, потеря половины длины волны происходит только в точке А (см. рис. 7.7). А если пленка лежит на поверхности тела (другая среда) с показателем преломления п большим, чем для материала пленки, потеря половины длины волны происходит в двух точках А к В; но, так как при этом «набегает» целая длина волны, этот эффект можно не учитывать - фазовые условия интерферирующих волн сохраняются. Видно, что задача требует индивидуального подхода. Основной принцип ее решения заключается в том, чтобы сначала найти оптическую разность хода интерферирующих лучей, рассмотрев возможную потерю половины длины волны в разных точках отражения (при необходимости добавить или вычесть ее в Д), и приравнять целому числу длин волн при определении условий усиления интенсивности света или к полуцелому числу длин волн (нечетному числу полуволн) - при нахождении минимума освещенности (ослабление при интерференции). В случае находящейся в воздухе пленки, изображенной на рис. 7.7, условие интерференционного максимума имеет вид
Вследствие того, что показатель преломления зависит от длины волны (см. подраздел 7.5), условия усиления и ослабления интенсивности для света
Рис. 7.8.
разных длин волн будут разные. Поэтому пленка будет разлагать падающий белый свет в спектр, т.е. в отраженном белом свете тонкая пленка видится окрашенной в разные цвета. С примерами этого каждый из нас встречался неоднократно, наблюдая разноцветные мыльные пузыри и пятна масла на поверхности воды.
Рассмотрим теперь пример тонкого воздушного клина (рис. 7.8). Пластина с хорошо обработанной поверхностью лежит на другой такой же пластине. В определенном месте между двумя пластинами находится предмет (например, тонкая проволочка) так, что образуется воздушный клин с углом 5. Рассмотрим луч света, падающий нормально на пластины. Будем считать, что расходимость цугов световых волн в точках отражения и преломления при отражении от поверхностей воздушного клина пренебрежимо мала, поэтому интерферирующие лучи собираются в одной точке наблюдения (их так же, как и в предыдущем примере, можно собрать с помощью вспомогательной линзы). Допустим, что в некоторой точке А по длине пластин оптическая разность хода Д равна целому числу т длин волн плюс Хо/2 (за счет отражения от оптически более плотной среды нижней пластины). Такая точка всегда найдется. При этом окажется, что в точке В на расстоянии АВ = d, отсчитываемом вдоль пластин и равном )^о /(2 tg 8) (множитель 2 возникает за счет того, что луч проходит пространство между пластинами дважды, в одну и другую сторону), интерференционная картина повторится для т ± 1 (фазовые условия при сложении волн повторятся). Измеряя расстояние d между этими двумя точками, легко связать длину волны с углом б
Рис. 7.9.
Если посмотреть на эту картину сверху, то можно увидеть геометрическое место точек, в которых при определенных целых числах т образовались светлые (или темные) полосы, горизонтальные и параллельные основанию клина (т.е. возникли условия интерференционных максимумов или минимумов). Вдоль этой полосы соблюдаются условия (7.6) или (7.7), а также (7.10), т.е. вдоль нее воздушный зазор имеет одну и ту же толщину. Такие полосы носят название полос равной толщины. При условии, что пластины изготовлены тщательно, полосы равной толщины представляются параллельными прямыми. Если в пластинах имеются изъяны, характер полос заметно меняется, положение и форма изъянов проступают четко. На этом интерференционном эффекте, в частности, основан способ контроля качества обработки поверхности.
На рисунке 7.9 показаны полосы равной толщины: в середине воздушного клина создан узкий поток теплого воздуха, плотность которого и, соответственно, показатель преломления отличаются от значений для холодного воздуха. Видно искривление линий постоянной толщины в области потока.
Если выпуклая линза лежит на плоской прозрачной пластине, то при определенном соотношении радиуса R кривизны линзы и длины волны X света можно наблюдать так называемые кольца Ньютона.
Они представляют собой те же полосы равной толщины в форме концентрических окружностей.
Рассмотрим такой интерференционный опыт, приводящий к образованию колец Ньютона сначала в отраженном - точка М наблюдения сверху (рис. 7.10, а), а затем в проходящем свете (рис. 7.10, б) - точка М расположена внизу под линзой Л) и прозрачной пластиной П. Определим радиусы г т светлых и темных колец Ньютона (наблюдаемая картина К на рисунках) в зависимости от длины /. волны света и радиуса R кривизны используемой в опыте линзы.
Схема опыта представляет оптическую систему, состоящую из плоской с одной стороны и выпуклой с другой линзы Л! малой кривизны, лежащей на стеклянной пластине П, произвольной толщины.
На линзу Л (падает плоский волновой фронт света от монохроматического источника, (длина к волны света) который в результате интерференции отражений, возникающих в воздушном зазоре между линзой и пластиной образует изображение К, которое можно наблюдать сверху от линзы - точка М (см. рис. 7.10, а), либо снизу от нее (см. рис. 7.10, б). Для удобства наблюдения изображения в расходящихся из-за не параллельности отражающих плоскостей лучах используется вспомогательная собирающая линза Л 2 (на небольших расстояниях наблюдения ее наличие не обязательно). Можно вести наблюдение непосредственно или регистрировать изображение с помощью оптически чувствительного детектора (например, фотоэлемента).
Рассмотрим ход двух близкорасположенных лучей 1 и 2 (рис. 7.10, а). Эти лучи до попадания в точку наблюдения М (глаз наблюдателя на рисунке) испытывают многократные отражения на участке распространения и преломления «вниз» на границах раздела воздух-линза Л, линза-воздушный зазор толщины d = АВ, и на участке «вверх» соответственно. Но в образовании интересующей нас интерференционной картины существенно их поведение в области воздушного промежутка d = АВ. Именно здесь образуется оптическая разность хода Д лучей 1 и 2, благодаря которой создаются условия наблюдения интерференции в опыте с кольцами Ньютона. Если отражение (поворот) луча 1 происходит в точке Л, а отражение (поворот) луча 2 - в точке В (при отражении луча 2 в той же точке, что и луча 1, т.е. в точке А, разности хода Д не будет, и луч 2 будет просто «эквивалентен» лучу 1), то интересующая нас оптическая разность хода
т.е. удвоенной толщине воздушного зазора (при малой кривизне линзы и близкорасположенных лучах 1 и 2 АВ + ВА » 2d) плюс-минус половина длины волны (/./2), которая теряется (или приобретается) при отражении света от оптически более плотной (показатель преломления стекла л ст = п 2 = 1,5 больше показателя преломления воздуха п тт = П= 1) среды в точке А (изменение фазы колебаний на ±л), где луч 1 отражается от стеклянной пластины П и возвращается в воздушный зазор. Потери (приобретения) полуволны лучом 2, распространяющимся в стекле при отражении от границы раздела в точке В, не происходит (граница раздела стекло-воздух и отражение от воздуха - оптически менее плотной среды - здесь п ст = П > «2 = /г возд). На участке «вверх» от точки В до точки наблюдения М у отраженных лучей 1 "и 2"оптические пути одинаковы (оптической разности хода нет).
Рис. 7.10.
Из рассмотрения схемы опыта в предположении малости величины воздушного зазора d (d « R и r m) между линзой Л! и пластиной П, т.е., полагая d 2 ~ 0, можно записать:
отсюда следует
При этом для оптической разности хода Д рассматриваемых лучей имеем
Оставляя для знак «+» в последнем выражении («-» даст в результате номера т тех же колец, отличающиеся на единицу) и принимая во внимание условия интерференционного максимума Д = тХ и минимума Д = (2ти+1) л/2, где /и = О, 1, 2, 3,целые числа, получаем:
Для максимума (светлые кольца)
Для минимума (темные кольца)
Полученные результаты можно объединить одним условием
определив т - как четные для максимума (светлые кольца) и нечетные для минимума (темные кольца).
Из полученного результата следует, что в центре интерференционной картины, т.е. при т = 0, наблюдаемой в отраженном свете, будет темное (г ттсш1 = 0) кольцо (точнее пятно).
Аналогичное рассмотрение можно провести и для опыта в проходящем свете (рис. 7.10, б - точка М наблюдения внизу). Из рассмотрения увеличенного фрагмента рисунка видно, что отличие от предыдущего опыта в проходящем свете воздушный зазор между Л| и пластиной П проходится лучом 1 трижды (вниз, вверх и снова вниз) и дважды происходит его отражение от оптически более плотной среды (стекла) - в точках А и В. При этом луч 2 проходит воздушный промежуток между линзой и пластиной однократно (отражения и преломления этого луча в других точках на границах радела на наблюдаемую картину влияния не оказывают и во внимание не принимаются) и отражений от оптически более плотной среды у него не происходит. Поэтому оптическая разность хода лучей 1 и 2 в рассматриваемом случае будет
или просто
так как изменение оптической разности хода на длину волны X в ту или иную сторону (или на целое число длин волн) не приводит к существенному для интерференции изменению фазовых соотношений в интерферирующих волнах (лучах) - разность фаз между лучами 1 и 2 в этом случае сохраняется. Условия максимума и минимума (Д = тХ и Д = (2т + 1) Х/2 соответственно), а также
геометрическое условие для радиусов г т соответствующих колец
для опыта в проходящем свете остаются прежними, поэтому получаем:
Для максимумов
Для минимумов
при т = 0,1,2,3,... - т. е. условия, противоположные рассмотренным для опыта в отраженном свете. Снова переопределяя т как четные и нечетные, можно написать обобщенную формулу и для этого случая в виде
где уже для нечетных т получаем максимум (светлое кольцо), а для четных - минимум (темное кольцо). Таким образом, в проходящем свете по сравнению с отраженным светлые и темные кольца меняются местами гт г т (в центре, при т = 0 получается светлое пятно г" тсв = 0).
Рис. 7.11.
Явления интерференции находят широкое применение в технике и промышленности. Они также используются в интерферометрии при определении показателей преломления веществ во всех трех его состояниях - твердом, жидком и газообразном. Имеется большое число разновидностей интерферометров, различающихся своим назначением (один из них - интерферометр Майкельсона, ранее рассмотрен нами при обсуждении гипотезы мирового эфира (см. рис. 1.39)).
Проиллюстрируем определение показателя преломления вещества на примере интерферометра Жамёна, предназначенного для измерения показателей преломления жидкостей и газов (рис. 7.11). Две одинаковые плоскопараллельные и полупрозрачные зеркальные пластины А и В установлены параллельно друг другу. Луч света из источника S падает на поверхность пластины А под углом а, близким к 45°. В результате отражения от внешней и внутренней поверхностей пластины А исходят два параллельных луча 1 и 2. Пройдя сквозь две одинаковые стеклянные кюветы Ki и К2, эти лучи попадают на пластину В, снова отражаются от обеих ее поверхностей и собираются с помощью линзы L в точке наблюдения Р. В этой точке они интерферируют, и интерференционные полосы рассматриваются с помощью окуляра, который на рисунке не показан. Если одна из кювет (например К|) заполняется веществом с известным абсолютным показателем преломления П, а вторая - веществом, показатель преломления «2 которого измеряется, то оптическая разность хода между интерферирующими лучами будет 6 = (п - п 2)1, где / - длина кювет на пути света. При этом наблюдается смещение интерференционных полос относительно их положения при пустых кюветах. Смещение S пропорционально разности («! - « 2), что позволяет определить один из показателей преломления, зная другой. При относительно невысоких требованиях к точности измерения положения полос, точность в определении показателя преломления может достигать 10~*-10 -7 (т.е. 10 -4 - 10 _5 %). Эта точность обеспечивает наблюдение малых примесей в газах и жидкостях, измерение зависимости показателей преломления от температуры, давления, влажности и др.
Существует много других конструкций интерферометров, предназначенных для различных физических и технических измерений. Как уже упоминалось, с помощью специально сконструированного интерферометра А.А. Майкельсоном и Е.В. Морли в 1881 г. исследована зависимость скорости света от скорости движения испускающего его источника. Установленный в этом опыте факт постоянства скорости света был положен А. Эйнштейном в основу специальной теории относительности.
- Д измеряется в единицах длины (в СИ это метры), а Д
- Вообще говоря, требование монохроматичности не является обязательным, но в случае полихроматического (белого) света источника наблюдаемая картина будет представлять собой наложение колец разной цветности и затруднять выделение интересующегонас эффекта.
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.
Интерференция света — это пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких когерентных световых пучков. Она характеризуется образованием постоянной во времени интерференционной картины, т. е. регулярного чередования, в пространстве наложения пучков, областей повышенной и пониженной интенсивности света.
Когерентность (от лат. Cohaerens — находящийся в связи) означает взаимную согласованность протекания во времени световых колебаний в разных точках пространства, которая и определяет их способность к интерференции, т. е. усиление колебаний в одних точках пространства и ослабление колебаний в других в результате наложения двух или нескольких волн, приходящих в эти точки.
Для наблюдения устойчивости во времени интерференционной картины необходимы условия, при которых частоты, поляризация и разность фаз интерферирующих волн были бы постоянными в течение времени наблюдения. Такие волны называются Когерентными (Связанными ).
Рассмотрим сначала две строго монохроматические волны, которые имеют одну и ту же частоту. Монохроматическая волна — это строго синусоидальная волна с постоянными во времени частотой, амплитудой и начальной фазой. Амплитуда и фаза колебаний могут меняться от одной точки к другой, но частота одна и та же для колебательного процесса во всем пространстве. Монохроматическое колебание в каждой точке пространства длится бесконечно долго, не имея ни начала, ни конца во времени. Поэтому строго монохроматические колебания и волны когерентны.
Свет от реальных физических источников никогда не бывает строго монохроматическим. Его амплитуда и фаза флуктуируют непрерывно и так быстро, что ни глаз, ни обычный физический детектор не смогут уследить за их изменениями. Если же два световых пучка происходят от одного источника, то возникающие в них флуктуации, вообще говоря, согласованы, и о таких пучках говорят, что они частично или полностью когерентны.
Существуют два метода получения когерентных пучков из одного светового пучка. В одном из них пучок делится, например, проходя сквозь близко расположенные друг к другу отверстия. Такой метод — Метод деления волнового фронта — пригоден только для достаточно малых источников. В другом способе пучок делится на одной или несколько отражающих, частично пропускающих поверхностях. Этот метод — Метод деления амплитуды — может применяться с протяженными источниками и обеспечивает большую освещенность интерференционной картины.
Работа посвящена ознакомлению с явлением интерференции света в тонких прозрачных изотропных пленках и пластинках. Исходящий от источника световой пучок падает на пленку и разделяется вследствие отражения от передней и задней поверхностей на несколько пучков, которые при наложении образуют интерференционную картину, т. е. когерентные пучки получаются методом деления амплитуды.
Рассмотрим сначала идеализированный случай, когда плоскопараллельная пластинка из прозрачного изотропного материала освещается точечным источником монохроматического света.
От точечного источника S в любую точку P могут попадать, вообще говоря, только два луча — один, отразившийся от верхней поверхности пластинки, и другой, отразившийся от нижней ее поверхности (рис. 1).
Рис. 1 Рис. 2
Отсюда следует, что в случае точечного монохроматического источника света каждая точка пространства характеризуется вполне определенной разностью хода приходящих в нее отраженных лучей. Эти лучи, интерферируя, образуют устойчивую во времени интерференционную картину, которая должна наблюдаться в любой области пространства. Про соответствующие полосы интерференции говорят, что они не локализованы (или локализованы всюду). Из соображений симметрии видно, что полосы в плоскостях, параллельных пластине, имеют вид колец с осью SN , нормальной к пластине, и при любом положении P они перпендикулярны плоскости SNP .
При увеличении размеров источника в направлении, параллельном плоскости SNP , интерференционные полосы становятся менее четкими. Важным исключением является случай, когда точка P находится в бесконечности, а наблюдение интерференционной картины ведется либо глазом, аккомодированным на бесконечность, либо в фокальной плоскости объектива (рис. 2). В этих условиях оба луча, идущих от S к P , а именно лучи SADP и SABCEP , происходят от одного падающего луча, и после прохождения пластинки параллельны. Оптическая разность хода между ними равна:
Где N 2 и N 1 — показатели преломления пластинки и окружающей среды,
N — основание перпендикуляра, опущенного из С на AD . Фокальная плоскость объектива и параллельная ей плоскость NC являются сопряженными, и линза не вносит между лучами дополнительной разности хода.
Если H — толщина пластины, а j1 и j2 — углы падения и преломления на верхней поверхности, то
, (2)
Из (1), (2) и (3), с учетом закона преломления
Получаем, что
(5)
Соответствующая разность фаз равна:
, (6)
Где l — длина волны в вакууме.
Следует также учитывать изменение фазы на p, которое, согласно формулам Френеля, происходит при каждом отражении от более плотной среды (мы рассматриваем только электрическую компоненту поля волны). Поэтому полная разность фаз в точке P равна:
(7)
. (8)
Угол j1, от значения которого зависит разность фаз, определяется только положением точки P в фокальной плоскости объектива, следовательно, разность фаз d не зависит от положения источника S . Отсюда вытекает, что при использовании протяженного источника полосы оказываются столь же отчетливыми, как и с точечным источником. Но так как это справедливо только для определенной плоскости наблюдения, то про такие полосы говорят, что они локализованы, и в данном случае — локализованы в бесконечности (или в фокальной плоскости объектива).
Если интенсивности рассматриваемых когерентных лучей обозначить соответственно I 1 и I 2, то полная интенсивность I в точке P определится соотношением:
Откуда находим, что светлые полосы расположены при d = 2M P или
, M
= 0, 1, 2, …, (10А
)
А темные полосы — при d = (2M + 1)p или
, M
= 0, 1, 2, … . (10Б
)
Заданная интерференционная полоса характеризуется постоянством величины j2 (а значит и j1) и, следовательно, создается светом, падающим на пластинку под каким-то определенным углом. Поэтому такие полосы часто называют Полосами равного наклона .
Если ось объектива нормальна к пластине, то при отражении света, близком к нормальному, полосы имеют вид концентрических колец с центром в фокусе. Порядок интерференции максимален в центре картины, где его величина M 0 определяется соотношением:
.
Мы рассматриваем пока только свет, отраженный от пластинки, но подобные рассуждения применимы и для света, прошедшего сквозь пластинку. В этом случае (рис. 3) в точку P фокальной плоскости объектива приходят от источника S два луча: один, прошедший без отражений, и другой — после двух внутренних отражений.
Оптическую разность хода этих лучей находят таким же образом, как и при выводе формулы (5), т. е.
А значит соответствующая разность фаз равна:
. (12)
Однако, дополнительная разность фаз, вызванная отражением, здесь отсутствует, так как оба внутренних отражения происходят в одинаковых условиях. Интерференционная картина, создаваемая протяженным источником, и в этом случае локализована в бесконечности.
Сравнивая (7) и (12), видим, что картины в проходящем и отраженном свете будут дополнительными, т. е. светлые полосы одной и темные полосы другой будут находиться на одном и том же угловом расстоянии относительно нормали к пластинке. Кроме того, если отражательная способность R поверхности пластинки мала (например, на границе стекло-воздух при нормальном падении она примерно равна 0,04), то интенсивности двух интерферирующих лучей, прошедших сквозь пластинку, очень сильно отличаются друг от друга
(I 1/I 2 @ 1/R 2 ~ 600), поэтому различие в интенсивности максимумов и минимумов (см.(9)) оказывается малым, а контрастность (видность) полос — низкой.
Наше предыдущее рассуждение было не вполне строгим. Так как мы пренебрегли многократностью внутренних отражений в пластинке. В действительности точки P достигает не две, как мы предполагали, а целый ряд пучков, идущих от S (лучи 3, 4 и т. д. на рис. 1 или 3).
Но если отражательная способность на поверхности пластинки мала, то наше предположение вполне удовлетворительно, так как пучки после первых двух отражений имеют ничтожную интенсивность. При значительной отражательной способности многократные отражения сильно изменяют распределение интенсивности в полосах, но положение полос, т. е. максимумов и минимумов, точно определяется соотношением (10).
Допустим теперь, что точечный источник S монохроматического света освещает прозрачную пластинку или пленку с плоскими, но не обязательно параллельными отражающими поверхностями (рис. 4).
Пренебрегая многократными отражениями, можно сказать, что в каждую точку P , находящуюся с той же стороны пластинки, что и источник, приходят опять только два луча, исходящие от S , а именно SAP и SBCDP , следовательно, в этой области интерференционная картина от точечного источника не локализована.
Оптическая разность хода между двумя путями от S до P равна
Где N 1 и N 2 — соответственно показатели преломления пластинки и окружающей среды. Точную величину D трудно вычислить, но если пластинка достаточно тонкая, то точки B , A , D находятся на очень малом расстоянии друг от друга, и значит
, (14А )
, (14Б )
Где AN 1 и AN 2 — перпендикуляры к BC и CD . Из (13) и (14) имеем
Кроме того, если угол между поверхностями пластинки достаточно мал, то
Здесь N 1¢ и N 2¢ — основание перпендикуляров, опущенных из Е на ВС и CD , а точка Е — пересечение верхней поверхности с нормалью к нижней поверхности в точке С . Но
, (17)
Где H = CE — толщина пластинки вблизи точки С , измеренная по нормали к нижней поверхности; j2 — угол отражения на внутренней поверхности пластинки. Следовательно, для тонкой пластинки, мало отличающейся от плоскопараллельной, можно написать, пользуясь (15), (16) и (17),
, (18)
А соответствующая разность фаз в точке P равна
. (19)
Величина D зависит от положения P , но она однозначно определена для всех P , так что интерференционные полосы, являющиеся геометрическим местом точек, для которых D Постоянна, образуются в любой плоскости той области, где встречаются оба луча от S . Мы говорим про такие полосы, что они не локализованы (или локализованы всюду). Они наблюдаются всегда с точечным источником, а их контрастность зависит только от относительной интенсивности интерферирующих пучков.
В общем случае для данной точки P оба параметра H и j2, определяющие разность фаз, зависят от положения источника S , и даже при небольшом увеличении размеров источника интерференционные полосы становятся менее четкими. Можно предположить, что такой источник состоит из некогерентных точечных источников, каждый из которых создает нелокализованную интерференционную картину.
Тогда в каждой точке полная интенсивность равна сумме интенсивностей таких элементарных картин. Если в точке P разность фаз излучения от различных точек протяженного источника неодинакова, то элементарные картины смещены друг относительно друга в окрестности P и видность полос в точке P меньше, чем в случае точечного источника. Взаимное смещение растет по мере увеличения размеров источника, но зависит от положения P . Таким образом, хотя мы имеем дело с протяженным источником, видность полос в некоторых точках P может оставаться такой же (или почти такой же), как и в случае точечного источника, тогда как в другом месте она упадет практически до нуля. Такие полосы характерны для протяженного источника и называются Локализованными . Можно рассмотреть частный случай, когда точка P находится в пластине, а наблюдение ведется с помощью микроскопа, сфокусированного на пластинку, или сам глаз аккомодируется на нее. Тогда H практически одинакова для всех пар лучей от протяженного источника, приходящих в точку P , сопряженную с P (рис. 5), и различие величин D в точке P вызывается главным образом различием значений Cos J 2. Если интервал изменений Cos J 2 достаточно мал, то интервал значений величин D в точке P много меньше 2P даже с источником значительных размеров, и полосы видны отчетливо. Очевидно, что они локализованы в пленке и локализация возникает как следствие использования протяженного источника.
Практически условие малости интервала изменений Cos J 2 можно выполнить при наблюдении в направлении, близком к нормальному, или при ограничении входного зрачка диаграммой D , хотя зрачок невооруженного глаза и сам по себе может быть достаточно мал.
Учитывая изменение фазы на P при отражении на одной из поверхностей пластинки, получим из (9) и (19), что в точке P будет находиться максимум интенсивности, если разность фаз кратна 2P , или, что эквивалентно, при выполнении условия
, M
= 0,1,2… (20А
)
И минимумы интенсивности — при
, M
= 0,1,2…, (20Б
)
Где — среднее значение для тех точек источника, свет от которых доходит в P .
Величина Cos J 2, присутствующая в последних соотношениях, представляет собой оптическую толщину пластинки в точке P , и если наше приближение остается в силе, то интерференционный эффект в P не зависит от толщины пластинки в других местах. Отсюда следует, что соотношения (20) остаются справедливыми даже при неплоских поверхностях пластинки при условии, что угол между ними остается малым. Тогда если достаточно постоянен, то интерференционные полосы соответствуют совокупности мест пленки, где оптические толщины одинаковы. По этой же причине такие полосы называют Полосами равной толщины . Такие полосы можно наблюдать в тонкой воздушной прослойке между отражающими поверхностями двух прозрачных пластинок, когда направление наблюдения близко к нормальному, и условие минимума (20, Б ) примет вид:
,
Т. е. темные полосы пройдут в тех местах прослойки, толщина которых удовлетворяет условию
, M = 0, 1, 2, …, (21)
Где — длина волны в воздухе.
Таким образом, полосы вырисовывают контуры слоев равной толщины на l/2. Если толщина слоя всюду постоянна, интенсивность по всей его поверхности одинакова. Это широко используется для контроля качества оптических поверхностей.
При клиновидной воздушной прослойке между плоскими поверхностями полосы будут проходить параллельно ребру клина на одинаковом расстоянии друг от друга. Линейное расстояние между соседними светлыми или темными полосами равно l/2Q , где Q — угол при вершине клина. Таким способом легко измерять углы порядка 0,1¢ и меньше, а также обнаруживать дефекты поверхности с точностью, доступной другим методам (0,1l и менее).
Интерференционная картина, локализованная в пленке, видна также и в проходящем свете. Как и в случае плоскопараллельной пластинки, картины в отраженном и прошедшем свете дополнительны. Т. е. светлые полосы одной появляются в тех же местах пленки, что и темные полосы другой. При использовании слабо отражающих поверхностей полосы в проходящем свете видны плохо вследствие значительного неравенства интенсивностей интерферирующих пучков.
До сих пор мы предполагали, что точечный источник испускает монохроматическое излучение. Свет от реального источника можно представить как совокупность некогерентных между собой монохроматических компонент, занимающих некоторый спектральный интервал от l до l + Dl. Каждая компонента образует свою интерференционную картину, аналогичную описанной выше, а полная интенсивность в любой точке равна сумме интенсивностей в таких монохроматических картинах. Нулевые максимумы всех монохроматических интерференционных картин совпадают, но в любом другом месте появляющиеся картины смещены друг относительно друга, т. к. их масштаб пропорционален длине волны. Максимумы M -го порядка займут в плоскости наблюдения некоторый участок. Если шириной этого участка можно пренебречь по сравнению со средним расстоянием между соседними максимумами, то в плоскости наблюдения появляются такие же полосы, как и в случае строго монохроматического света. В другом предельном случае интерференция не будет наблюдаться, если максимум M -го порядка для (l + Dl) совпадет с максимумом (M + 1)-го порядка для l. В этом случае провал между соседними максимумами будет заполнен максимумами неразличимых длин волн нашего интервала. Условие неразличимости интерференционной картины запишем так: (M + 1)l = M (l + Dl), т. е. M = l/Dl.
Но для того, чтобы интерференционная картина при данных значениях Dl и l обладала достаточной контрастностью, приходится ограничиваться наблюдением интерференционных полос, порядок которых много меньше l/Dl, т. е.
M < < L / DL . (22)
Следовательно, чем выше порядок интерференции M , который нужно наблюдать, тем уже должен быть спектральный интервал Dl, допускающий наблюдение интерференции в этом порядке, и наоборот.
Порядок интерференции M связан с разностью хода интерферирующих световых пучков, которая в свою очередь связана с толщиной пластинки (см. (20)). Как видно из этой формулы, для того, чтобы полосы были отчетливы, требования к монохроматичности источника должны становиться тем строже, чем больше оптическая толщина пластинки Hn 2. Однако, надо иметь в виду, что качество наблюдаемой интерференционной картины существенно зависит от Закона распределения энергии в используемом спектральном интервале и от Спектральной чувствительности применяемого приемника излучения .
Исследование интерференции в тонких пленках мы проведем на примере полос равной толщины, так называемых Колец Ньютона .
Кольца Ньютона являются классическим примером интерференционных полос равной толщины. Роль тонкой пластинки переменной толщины, от поверхностей которой отражаются когерентные волны, играет воздушный зазор между плоскопараллельной пластинкой и выпуклой поверхностью плосковыпуклой линзы с большим радиусом кривизны, соприкасающейся с пластинкой (рис. 6). Чтобы наблюдать много колец, надо пользоваться светом сравнительно высокой монохроматичности.
Пусть наблюдение ведется со стороны линзы. С этой же стороны на линзы падает пучок монохроматического света, т. е. наблюдение ведется в отраженном свете. Тогда световые волны, отраженные от верхней и нижней границ воздушного зазора, будут интерферировать между собой. В целях наглядности на рис. 6 отраженные от воздушного клина лучи несколько смещены в сторону от падающего луча.
При нормальном падении света интерференционная картина в отраженном свете имеет следующий вид: в центре расположено темное пятно, окруженное рядом концентрических светлых и темных колец убывающей ширины. Если световой поток падает со стороны пластины, а наблюдение по-прежнему ведется со стороны линзы, то интерференционная картина в проходящем свете остается прежней, только в центре пятно будет светлым, все светлые кольца станут темными и наоборот, при этом, как уже отмечалось, более контрастными кольца будут в отраженном свете.
Определим диаметры темных колец в отраженном свете. Пусть
R — радиус кривизны линзы, Hm — толщина воздушного зазора в месте расположения M -го кольца, Rm — радиус этого кольца, DH — величина взаимной деформации линзы и пластинки, возникающая при их сжатии. Предположим, что деформируется только небольшой участок линзы и пластинки и вблизи центра интерференционной картины. Для расчета оптической разности хода волн в месте появления M -го кольца воспользуемся формулой (20Б ):
При нормальном падении волны на линзу и вследствие малой кривизны ее поверхности, полагаем cos j 2 = 1. Кроме того, учтем, что N 2 = 1, а изменение фазы на P Или удлинение оптического пути на l/2 происходит у волны, отраженной от стеклянной пластинки (нижней поверхности воздушного зазора). Тогда оптическая разность хода будет равна и, чтобы в этом месте возникло темное кольцо, должно выполняться равенство:
. (23)
Из рис. 6 следует также, что
Откуда, если пренебречь слагаемыми второго порядка малости, 
= >
.
Подстановка этого выражения в (23) после простейших преобразований дает окончательную формулу, связывающую радиус темного кольца с его номером M , длиной волны L и радиусом линзы R .
. (24)
Для целей экспериментальной проверки удобнее пользоваться формулой для диаметра кольца:
. (25)
Если построить график, откладывая по оси абсцисс номера темных колец, а по оси ординат — квадраты их диаметров, то в соответствии с формулой (25) должна получиться прямая, продолжение которой отсекает на оси ординат отрезок , причем
Это дает возможность по найденной величине вычислить взаимную деформацию DH , если известен радиус кривизны линзы:
По наклону графика можно определить и длину волны света, в котором ведется наблюдение:
, (28)
Где M 1 и M 2 — соответствующие номера колец, а и— их диаметры.
В природе можно наблюдать радуж-ное окрашивание тонких пленок (масля-ные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленки на металлах), возникаю-щее в результате интерференции света, отраженного двумя поверхностями пленки.
Пусть на плоскопараллельную про-зрачную пленку с показателем преломле-ния п и толщиной d под углом i падает плоская монохроматическая волна (рассмотрим один луч). Будем предполагать, что по обе стороны от пленки находится одна и та же среда (например, воздух ) и . Часть фронта падающей волны, перпендикулярного к плоскости чертежа, изображена в виде отрезка АВ ( направлению распространения волны, т.е. лучам 1 и 2). На поверхности пленки в т.A луч разде-лится на два: частично отразится от верх-ней поверхности пленки, а частично пре-ломится. Преломленный луч, дойдя до т.D , частично преломится в воздух, а частично отразится и пойдет к т. C. Здесь он опять частично отра-зится (из-за малой интенсивности не рассматриваем) и преломится, выходя в воздух под углом i.
Преломленная волна (луч 1’’ ) накладывается на волну, непосредственно отраженную от верхней поверхности (луч 2’) . Вышедшие из пленки лучи /’, 1’’ и 2’ когерент-ны, если оптическая разность их хода мала по сравнению с длиной когерентности па-дающей волны. Если на их пути поставить собирающую линзу, то они сойдутся в одной из т. Р фокальной плоскости линзы и дадут интерференционную кар-тину. При падении световой волны на тонкую прозрачную пластинку (или пленку) происходит отражение от обеих поверхностей пла-стинки. В результате возникают две световые волны , которые при известных условиях могут интерферировать. Оптическая разность хода, возникаю-щая между двумя интерферирующими лу-чами от т. А до плоскости ВС , где член обусловлен потерей полуволны при отражении света от границы раздела.
Ес-ли n>n 0
, то потеря полуволны произойдет в т.А
и будет иметь знак минус, если же n
, где преломленный угол (9.1)
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.