§ 15-1. Наблюдение и применение интерференции

Надувая мыльные пузыри в детстве, вы наверняка любовались переливанием их цветов. И конечно трудно было представить, что это происходит вследствие интерференции световых волн. А какие еще явления обусловлены интерференцией? Применяется ли интерференция в науке и технике? И в каких областях?

Наиболее известное проявление интерференции, с которым мы часто встречаемся в повседневной жизни — радужное окрашивание мыльных пузырей (рис. 92-2) или тонких пленок, бензина (нефти) на воде или асфальте. Радужные цвета возникают на этих пленках вследствие интерференции света, отраженного двумя поверхностями пленки.

Рассмотрим падение монохроматической световой волны длиной λ под углом α на тонкую пленку толщиной d (рис. 92-3). Она частично отражается (волна 1) от верхней поверхности пленки, частично проходит в пленку и частично отражается (волна 2) от нижней поверхности пленки (см. рис. 92-3). В результате волна, отраженная от нижней поверхности проходит дополнительное расстояние ABC по сравнению с волной, отраженной от верхней грани. Между отраженными от пленки волнами ( 1′и 2′) возникает оптическая разность хода , которая зависит от угла  преломления β волны, толщины пленки, показателя преломления и длины волны. Слагаемое  учитывает изменение фазы на Δφ=π  при отражении волны от одной из поверхностей пленки. Если оптическая разность хода δ равна целому числу длин волн, то будет наблюдаться интерференционный максимум, если  нечетному числу полуволн   — минимум.

При падении белого света (400-800 нм) под некоторым углом на пленку максимум интерференционной картины будет только для определенной длины волны λ. При других углах падения максимумы будут наблюдаться для других длин волн. Таким образом, при падении на пленку белого света в отраженном свете мы увидим яркие разноцветные полосы, расположенные друг за другом.

Между длиной волны λ интерферирующих волн, их оптической разностью хода  и расположением максимумов и минимумов существует определенная связь. Это позволяет, с одной стороны, по расположению максимумов и минимумов интерференционной картины определять длину волны или измерять показатель преломления вещества. С другой стороны, зная положение максимумов и минимумов, определять разность хода интерферирующих волн и, таким образом, очень точно измерять расстояния.

Интерференция света находит широкое применение в различных областях науки и техники, так как позволяет значительно повысить точность измерений. Приборы, принцип действия которых основан на явлении интерференции, называются интерферометрами. Оптические интерферометры применяются для измерения показателей преломления прозрачных сред, длин волн, контроля качества деталей и их поверхностей, угловых размеров звезд.

Явление интерференции в тонких пленках используется для создания зеркал, фильтров, просветляющих покрытий и т. д.

Просветление оптики. Объективы многих современных оптических приборов, например биноклей, фотоаппаратов, кинокамер, имеют сиреневый оттенок. Он обусловлен тем, что на внешнюю поверхность линзы нанесена тонкая пленка для уменьшения отражения от ее поверхностей. Если пленку не наносить, то при отражении от поверхностей линзы теряется до 10 % энергии падающего излучения. Так как современные объективы содержат несколько линз, то потери энергии при отражениях на поверхностях в объективе могут достигать 70 %. Для уменьшения потерь на поверхность линзы наносят тонкую пленку, толщина и показатель преломления которых подбираются таким образом, чтобы в отраженном свете был интерференционный минимум. В результате через объектив проходит больше света. Получаемое изображение становится более ярким и именно поэтому применяется термин "просветление оптики".

При падении белого света осуществить «просветление» для всех падающих длин волн невозможно. Выбирают толщину пленки таким образом, чтобы интерференционный минимум при нормальном падении света на объектив был для длин волн λ ≈ 550 нм (зеленый цвет). Уменьшение отражения для красного (λ ≈ 800 нм) и фиолетового (λ ≈ 400 нм) практически не происходит, поэтому «просветленные» объективы имеют сиреневый оттенок.

Контроль качества шлифовки поверхностей. Для проверки качества обработки поверхности между ней и эталонной гладкой пластинкой создают тонкую клиновидную прослойку воздуха (рис. 92-4, а). Волны, отражаясь от верхней (контролируемой) и нижней (эталонной) поверхностей, образуют интерференционную картину — светлые и темные полосы. Причем полосы будут ровными только тогда, когда поверхности идеально гладкие рис. 92-4, б).

Если же на контролируемой поверхности имеется какой-либо дефект, например вмятина или царапина, то это приведет к  искажению интерференционных полос (рис. 92-4, в). По форме полос и их ширине можно судить о характере дефектов и их глубине (высоте). Применение интерференционных методов позволяет измерять отклонение от плоскости с погрешностью от 0,01 мкм. При нормальном падении монохроматического света на образец повышается точность измерений, так как увеличивается резкость интерференционных полос.

Интерференционный метод — очень чувствительный метод проверки гладкости поверхностей, так как позволяет оценить качество обработки с точностью порядка  или .

Широко используется в настоящее время голография — метод получения объемных изображений, основанный на использовании явления интерференции.

Вопросы к параграфу

1. Объясните образование радужной окраски мыльных пленок.
2. Как называются приборы, принцип действия которых основан на явлении интерференции?
3. Перечислите известные вам способы применения интерференционных методов.
4. Для каких измерений применяются оптические интерферометры?
5. В чем сущность просветления оптики?
6. На чем основано просветление оптики? Почему в отраженном свете объективы имеют сиреневый оттенок?
7. Как интерференционным методом осуществляется контроль качества поверхности?