Интерференция света. Схема Юнга

Интерференция света — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.

Первым интерференционным опытом, получившим объяснение на основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.). В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S ₁ и S ₂ (рис. 3.7.3). Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S ₁ и S ₂, перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Рисунок 3.7.3. Схема интерференционного опыта Юнга

Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели S ₁ и S ₂, которые в соответствии с принципом Гюйгенса можно рассматривать как источники вторичных волн, освещались светом одного источника S. При симметричном расположении щелей вторичные волны, испускаемые источниками S ₁ и S ₂, находятся в фазе, но эти волны проходят до точки наблюдения P разные расстояния r ₁ и r ₂.

Следовательно, фазы колебаний, создаваемых волнами от источников S ₁ и S ₂ в точке P, вообще говоря, различны. Таким образом, задача об интерференции волн сводится к задаче о сложении колебаний одной и той же частоты, но с разными фазами. Утверждение о том, что волны от источников S ₁ и S ₂ распространяются независимо друг от друга, а в точке наблюдения они просто складываются, является опытным фактом и носит название принципа суперпозиции.

Диффракция света. Зоны френеля.

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА - в узком, но наиболее употребительном смысле - огибание лучами света границы непрозрачных тел (экранов); проникновение света в область геом. тени. В широком смысле Д. с. - проявление волновых свойств света в предельных условиях перехода от волновой оптики к геометрической. Примерами Д. с., понимаемой в широком смысле, являются рассеяние светакапельками тумана, формирование изображения оптич. системами (напр., микроскопом) и т. п. Наиб. рельефно Д. с. проявляется в областях резкого изменения плотности потока лучей; вблизикаустик, фокуса линзы, границ геом. тени и др.

Д. с. как волновое явление, исчезающее в пределе , зависит от длины волны света . Красный свет сильнее дифрагирует (сильнее отклоняется границами тел), чем фиолетовый, т. е. разложение белого света в спектр, вызванное дифракцией, имеет обратную последовательность цветов по сравнению с получающейся при разложении света в призме. Это различие часто является решающим при выяснении природы многих атм. оптич. явлений.

Зоны Френеля

Участки, на которые можно разбить поверхность световой (или звуковой) волны для вычислениярезультатов дифракции света (См. Дифракция света) (или звука). Впервые этот метод применил О. Френель. Суть метода такова. Пусть от светящейся точки Q (рис.) распространяется сферическая волна итребуется определить характеристики волнового процесса, вызванного ею в точке Р. Разделим поверхностьволны S на кольцевые зоны; для этого проведём из точки Р сферы радиусами PO, Pa = PO + ^λ/₂; Pb = Pa + ^λ/₂ ,Pc = Pb + ^λ/₂, (О — точка пересечения поверхности волны с линией PQ; λ — длина световой волны).

Кольцеобразные участки поверхности волны, «вырезаемые» из неё этими сферами, и называется З. Ф. Волновой процесс в точке Р можно рассматривать как результат сложения колебаний, вызываемых в этойточке каждой З. Ф. в отдельности. Амплитуда таких колебаний медленно убывает с возрастанием номеразоны (отсчитываемого от точки О), а фазы колебаний, вызываемых в Р смежными зонами, противоположны. Поэтому волны, приходящие в Р от двух смежных зон, гасят друг друга, а действие зон, следующих черезодну, складывается. Если волна распространяется, не встречая препятствий, то, как показывает расчёт, еёдействие (сумма воздействий всех З. Ф.) эквивалентно действию половины первой зоны.

Если же припомощи экрана с прозрачными концентрическими участками выделить части волны, соответствующие, например, N нечётным зонам Френеля, то действие всех выделенных зон сложится и амплитуда колебаний  U _нечёт в точке Р возрастёт в 2N раз, а интенсивность света в 4 N² раз, причём освещённость в точках,окружающих Р, уменьшится. То же получится при выделении только чётных зон, но фаза суммарной волны  U _чёт будет иметь противоположный знак.

Такие зонные экраны (т. н. линзы Френеля) находят применение не только в оптике, но и в акустике ирадиотехнике — в области достаточно малых длин волн, когда размеры линз получаются не слишкомбольшими (сантиметровые радиоволны, ультразвуковые волны).

Метод З. Ф. позволяет быстро и наглядно составлять качественное, а иногда и довольно точноеколичественное представление о результате дифракции волн при различных сложных условиях ихраспространения. Он применяется поэтому не только в оптике, но и при изучении распространения радио- извуковых волн для определения эффективной трассы «луча», идущего от передатчика к приёмнику; длявыяснения того, будут ли при данных условиях играть роль дифракционные явления; для ориентировки ввопросах о направленности излучения, фокусировке волн и т.п.

Формула тонкой линзы.

Линза (нем. Linse, от лат. lens — чечевица) — деталь из оптически (и не только, линзы также применяются в СВЧ технике, и там обычно состоят из непрозрачных диэлектриков или набора металлических пластин) прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы.

Линзами также называют и другие оптические приборы и явления, которые создают сходный оптический эффект, не обладая указанными внешними характеристиками.

Например:

- Плоские «линзы», изготовленные из материала с переменным показателем преломления, изменяющимся в зависимости от расстояния от центра;

- линзы Френеля;

- зонная пластинка Френеля, использующая явление дифракции;

- «линзы» воздуха в атмосфере — неоднородность свойств, в частности, показателя преломления (проявляются в виде мерцания изображения звёзд в ночном небе);

- Гравитационная линза — наблюдаемый на межгалактических расстояниях эффект отклонения электромагнитных волн массивными объектами;

- Магнитная линза — устройство, использующее постоянное магнитное поле для фокусирования пучка заряженных частиц (ионов или электронов) и применяющееся в электронных и ионных микроскопах;

- Изображение линзы, сформированное оптической системой или частью оптической системы. Используется при расчёте сложных оптических систем.

Формула тонкой линзы

Расстояния от точки предмета до центра линзы и от точки изображения до центра линзы называются сопряжёнными фокусными расстояниями.

Эти величины находятся в зависимости между собой и определяются формулой, называемой формулой тонкой линзы (впервые полученной Исааком Барроу):

где — расстояние от линзы до предмета; — расстояние от линзы до изображения; — главное фокусное расстояние линзы. В случае толстой линзы формула остаётся без изменения с той лишь разницей, что расстояния отсчитываются не от центра линзы, а от главных плоскостей.

Для нахождения той или иной неизвестной величины при двух известных пользуются следующими уравнениями:

Следует отметить, что знаки величин , , выбираются исходя из следующих соображений — для действительного изображения от действительного предмета в собирающей линзе — все эти величины положительны. Если изображение мнимое — расстояние до него принимается отрицательным, если предмет мнимый — расстояние до него отрицательно, если линза рассеивающая — фокусное расстояние отрицательно.