Применение интерференции света

    Оптические приборы, действие которых основано на явлении интерференции света, называются интерферометрами. Они предназначены для точных измерений длин, углов, характеристик оптических поверхностей, показателей преломления сред или их изменений, спектрального состава исследуемого излучения и т.п. Наблюдение интерференционных полос при этом становится не целью исследования, а средством проведения измерений. В зависимости от характера решаемой задачи к оптической схеме интерферометра и его конструкции предъявляются различные требования.

    Важную роль в истории науки сыграл и нтерферометр Майкельсона. На рис. 6.1.12 изображена упрощенная схема интерферометра Майкельсона. Свет расщепляется на полупрозрачной пластинке и распространяется далее по двум различным путям. Разность хода между лучами в точке наблюдения P равна , где и длины «плеч» интерферометра. При строгой перпендикулярности зеркал и интерферометр может быть отъюстирован так, что лучи, приходящие в точку наблюдения, оказываются параллельными.

Рис. 6.1.12. Схема интерферометра Майкельсона.

В этом случае угол схождения лучей  и, следовательно, все интерференционное поле на экране имеет одинаковую интенсивность (ширина интерференционных полос стала очень большой), зависящую от реализованной разности хода . Отметим, что реально условие  выполняется лишь в пределах небольшой площадки экрана, на которой наблюдается интерференция. При больших размерах экрана на нем должны наблюдаться интерференционные кольца.

    Интерферометр Релея предназначен для измерения показателей преломления газов и жидкостей. Источник света в виде узкой щели S расположен в фокальной плоскости линзы L ₁ (рис. 6.1.13).

Рис. 6.1.13. Схема интерферометра Релея (вид сверху)

Выходящий из нее параллельный пучок идет через диафрагму с двумя щелями S ₁ и S ₂, параллельными щели S. Пучки света от S ₁ и S ₂ проходят через кюветы K ₁ и K ₂ и образуют интерференционные полосы в фокальной плоскости линзы L ₂. Введение кювет, содержащих исследуемые газы или жидкости, требует значительного расстояния между S ₁ и S ₂, вследствие чего интерференционные полосы располагаются тесно и для их наблюдения требуется большое увеличение. Для этой цели удобен цилиндрический окуляр в виде тонкой стеклянной палочки, ось которой параллельна полосам. Кюветы занимают только верхнюю половину пространства между линзами L ₁ и L ₂, а внизу свет идет вне кювет. Благодаря этому возникает вторая система интерференционных полос с таким же расстоянием между полосами, которая может служить шкалой для отсчета. Верхняя система полос сдвинута относительно нижней, так как при прохождении света через кюветы появляется добавочная разность хода , где n ₁ и n ₂ - коэффициенты преломления веществ, заполняющих кюветы; l – длина кюветы. По этому смещению определяют n ₂ – n ₁. В один из пучков ставится компенсатор, с помощью которого можно добиваться, чтобы плавно изменялась оптическая разность хода, противоположная по знаку той, которая обусловлена прохождением света через кюветы. Совпадение двух систем полос используется для установления полной компенсации разности хода. Визуально можно установить совпадение с точностью до 1/40 порядка, что при l = 0,1 м, = 550 нм позволяет обнаружить изменение n ₂ - n ₁ около 10^-7.

    Получение диэлектрических зеркал. Рассмотрим идею получения диэлектрических зеркал. Пусть на поверхность стекла (или кварца), показатель преломления которого n ₀, нанесен слой прозрачного диэлектрика с показателем преломления n > n ₀. Толщина слоя l выбрана так, чтобы его оптическая толщина nl была равна , т.е. четверти длины волны в вакууме. При этом отражательная способность поверхности возрастает. В самом деле, волны, отраженные (при нормальном падении) от передней и задней границ слоя, находятся в фазе, так как отставание фазы второй волны на , накопившееся при ее распространении внутри пленки туда и обратно, компенсируется изменением фазы первой волны на  при ее отражении от оптически более плотной среды. Покрытия из TiO₂ (n =2,45) или сернистого цинка (n =2,3) дают коэффициент отражения . Но добиться более высоких коэффициентов отражения таким способом практически невозможно. Эффект можно значительно усилить, используя последовательность чередующихся диэлектрических слоев с высоким n ₁ и низким n ₂ показателями преломления (рис. 6.1.14).

Рис. 6.1.14.  Схема многослойного диэлектрического покрытия

    Если оптическая толщина всех слоев одинакова и равна , то отраженные их границами волны находятся, как легко заметить, в одинаковой фазе и в результате интерференции усиливают друг друга. Такие многослойные диэлектрические покрытия дают высокую отражательную способность только в ограниченной области длин волн вблизи значения , для которого оптическая толщина слоев равна . Обычно наносят от 5 до 15 слоев сульфида цинка (n ₁=2,3) и криолита (n ₂=1,35). С семью слоями легко добиться R =0,9 в спектральной области шириной порядка 50 нм. Для получения коэффициента отражения R =0,99 (такие зеркала используются в лазерных резонаторах) надо нанести 11-13 слоев.

    Просветление оптики.

Нанесением на поверхность стекла диэлектрических покрытий можно решить и противоположную задачу уменьшения коэффициента отражения (просветление оптики). Это очень важно для сложных оптических систем с большим числом преломляющих поверхностей, где даже при малом коэффициенте отражения () в итоге накапливаются значительные потери света. Очевидно, что нанесенный на стекло слой диэлектрика оптической толщины  при n < n ₀ приведет к уменьшению R, так как отраженные от его передней и задней границ волны находятся в противофазе. При  весь падающий по нормали свет с длиной волны  проходит через границу. Использование более сложных трехслойных покрытий позволяет получить сравнительно высокое пропускание в широкой области спектра.

    Принцип голографии.

    Голографией называется метод записи и последующего восстановления структуры световых волн, основанный на явлениях интерференции и дифракции когерентных световых пучков. В то время как обычная фотография дает лишь плоское изображение, голография позволяет полностью восстанавливать рассеянные предметами световые волны, создавая иллюзию реальности наблюдаемых предметов.

    Идея голографии была предложена Габором в 1947 г. Однако практически осуществить его идею удалось лишь в 1962 г. Лейту и Упатниексу. Это обусловлено тем, что голографии требуются источники света с высокой степенью временной и пространственной когерентности. Такие источники – лазеры – были созданы в 1960 г.

    При освещении предмета от него распространяется рассеянная волна. Отделившись от предмета, волна несет всю информацию о форме и других параметрах предмета. Если любым путем создать такую же волну, она вызовет такой же эффект, как и исходная волна, рассеянная предметом. В этом и заключается идея голографии.

    Пусть предмет А (рис. 6.1.15) освещается пучком параллельных лучей от лазера. Рассеянные предметом лучи попадают на фотопластинку Г. По степени почернения пластинки после проявления можно судить об амплитуде волны в тех местах пластинки, которых эта волна достигла. Поэтому экспонированная и проявленная пластинка сохраняет информацию об амплитуде волны. Однако пластинка не содержит информации о фазе волны, необходимой для восстановления этой волны. Габор показал, что информацию о фазе волны можно получить и записать на той же фотопластинке Г, если осветить ее вторым пучком от того же лазера и заставить этот пучок интерферировать с пучком от предмета. Практически это достигается расширением пучка света от лазера и разделением получившегося пучка на два. Один из них, называемый предметным, направляется на предмет и рассеивается им, другой – опорный – отражается плоским зеркалом S. Оба получившихся пучка дают на фотопластинке интерференционную картину, которая фотографируется. Полученная фотография называется голограммой. Голограмма представляет собой сложную и запутанную интерференционную картину. На ней видны и крупные дифракционные кольца, возникающие в результате дифракции света на случайных пылинках в воздухе (явление дифракции света излагается в разделе 6.2).

    Интерференционная картина на голограмме содержит всю информацию о распределении амплитуд и фаз в предметной волне. Освещение голограммы восстанавливающей волной, идентичной с опорной, вызывает появление дифрагировавших волн, одна из которых представляет собой копию волны, рассеянной предметом. Попадая в глаз, она создает такое же ощущение, как и при непосредственном рассматривании предмета.

    Рассмотрим простейший случай голографической записи плоской монохроматической волны (рис. 6.1.16а). Пусть такая волна 1 падает на фотопластинку под углом Q ^/ к нормали. Пусть на ту же фотопластинку одновременно падает по нормали плоская волна 2 (опорная) той же длины волны. Эти волны создадут на пластинке систему интерференционных полос, ориентированных перпендикулярно плоскости чертежа. Как легко видеть, расстояние между соседними интерференционными полосами равно d = l / sinQ ^/. Совокупность этих полос образует дифракционную решетку. Структура зарегистрированной на голограмме интерференционной картины содержит информацию о распределении фаз колебаний в волне 1 (предметной волне).

    Восстановить записанную на голограмму предметную волну 1 можно следующим образом. Направим на голограмму восстанавливающую волну, идентичную с опорной волной 2, использовавшейся при записи (рис. 6.1.16б). В результате ее дифракции на дифракционной решетке, образованной интерференционными полосами при получении голограммы, возникают три плоские волны: одна из них соответствует главному дифракционному максимуму с m = 0 и распространяется в направлении падающей волны, две же другие соответствуют главным дифракционным максимумам с m = ±1. Наибольший интерес в голографии представляет волна с m = 1. Ее направление определяется условием d sinQ = l. Поскольку d = l / sinQ ^/ , то Q = Q ^/, т.е. направление распространения точно такое же, как и у предметной волны 1. Попадая в глаз, восстановленная волна вызовет такое же ощущение, как и волна 1.

    Рассеянную предметом волну можно рассматривать как результат наложения плоских монохроматических волн. Каждая из них при интерференции с опорной волной, получаемой из того же лазерного пучка, создает на фотопластинке свою систему интерференционных полос с характерными для нее ориентацией и периодом. После проявления фотопластинки на ней образуется совокупность дифракционных решеток. Каждая из этих решеток на этапе восстановления рассеянной предметом волны формирует соответствующую ей элементарную плоскую волну. Это волна с m = 1. Все восстановленные элементарные волны находятся в таких же амплитудных и фазовых соотношениях, как и волны при записи голограммы. Их совокупность воссоздает рассеянную предметом световую волну и вызывает те же зрительные образы. Следовательно, в том месте, где находился предмет при записи голограммы, на этапе восстановления возникает мнимое изображение предмета.

    Важнейшим свойство голограммы является то, что восстановить предметную волну можно с помощью даже небольшого участка голограммы. Это видно из того, что направления на главные дифракционные максимумы дифракционной решетки не зависят от числа ее штрихов. От него зависит разрешающая способность решетки. Вследствие этого четкость изображения, даваемого частью голограммы, будет хуже.

    Здесь кратко изложен лишь принцип голографии. В настоящее время создана целая наука о голографии, результаты которой находят широкое применение. Разработаны методы, позволяющие наблюдать изображения предметов в белом свете. Голограммы можно использовать в качестве комплексных оптических элементов, играющих роль линз, дифракционных решеток, интерференционных фильтров. Метод голографии дает возможность записывать на малом участке голограммы большой объем информации. Разрабатываются компьютеры с голографической памятью, голографическое телевидение и много другое.