Волны и оптика Лекция 07 Волновая оптика. Интерференция света 30 марта 2022 года Лектор: доцент НИЯУ МИФИ, ОЛЬЧАК Андрей Станиславович Общая физика, 4-ый семестр
В широком смысле под термином «свет» понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему области инфракрасного и ультрафиолетового излучений. Человеческое зрение в разной мере чувствительно к волнам разной длины. Для характеристики нашего восприятия видимого света вводят целый набор специальных т.н. фотометрических величин. Шкала электромагнитных волн На видимую область спектра приходится 40% энергии излучения Солнца.
Фотометрия Световой поток - спектральная плотность потока электромагнитной энергии Элементарный и полный: [ Ф ] = 1 Лм (Люмен)
Фотометрия Сила света точечного источника Изотропный источник света: Освещённость поверхности [ Е ] = Лм/м 2 = 1 Лк = 1 люкс
Фотометрия Яркость Источник света, яркость L которого не зависит от направления, называется ламбертовским. Светимость М характеризует световой поток, испускаемый источником во всех направлениях- - световой поток, испускаемый площадкой источника в определенном направлении
Распространение волн При распространении световых и иных ЭМ-волн в пустоте наблюдаются характерные волновые эффекты: - Интерференция (эффект наложения двух волн одной длины, при котором амплитуда колебаний в разных точках пространства становится разной) Стоячие волны (частный случай интерференции двух волн одной длины, распространяющихся навстречу друг-другу) Эффект Доплера (зависимость воспринимаемой приемником частоты волны от относительной скорости движения источника и приемника) Дифракция (изменение направления распространения волны при прохождении препятствия) - Поляризация (сохранение или регулярное изменение направления колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей в волне) в среде добавляются еще некоторые характерные эффекты,: Затухание (потеря энергии волной за счет взаимодействия со средой) Дисперсия (зависимость скорости волны в среде от частоты волны) - Управляемая поляризация (управляемое изменение направления колебания векторов напряженности электрического и магнитного поле)
Интерференция волн Интерференцией называется такое сложение волн, при котором в некоторых областях пространства.
Интерференция Интерференция волн в кювете с водой.
Интерференция монохроматических волн || ||
Интерференция монохроматических волн
Интерференция монохроматических волн Условия интерференционного максимума и минимума Источники Волна Экран Интерференция двух цилиндрических волн
Интерференция монохроматических волн
Интерференция монохроматических волн Условия интерференционного максимума: - порядок интерференционного максимума.
Интерференция монохроматических волн Условия интерференционного минимума: - порядок интерференционного минимума. Волны усиливают друг друга. Амплитуда увеличивается. Волны ослабляют друг друга. Амплитуда уменьшается.
Интерференция монохроматических волн Ширина и видность интерференционных полос
Интерференция монохроматических волн Ширина интерференционной полосы – это расстояние между серединами двух соседних интерференционных полос.
Интерференция монохроматических волн Приведена картина распределения интенсивности при интерференции в схеме Юнга. Видно, что при параметрах интерференционной схемы L =5 м, d =2 мм ширина интерференционной полосы для длины волны =546 мм составляет всего 1,36 мм.
Интерференция монохроматических волн Видность интерференционных полос. Реальная картина интерференционных полос.
Классические интерференционные опыты Опыт Юнга Размер щели ? СФ Э1 Э2 Э3
Опыт Юнга Эксперимент Томаса Юнга. Свет от источника (в данном случае лазер) пропускается через две узкие щели и падает на экран, на котором возникает интерференционная картина в виде светлых и тёмных полос.
Опыт Юнга Интерференционные полосы в опыте Юнга.
Бипризма Френеля
Бипризма Френеля
Бипризма Френеля Интерференционная картина, полученная с помощью бипризмы Френеля
Бизеркало Френеля
Зеркало Ллойда Источник света S и его мнимое изображение S ’, полученное с помощью зеркала Ллойда AB, позволяют наблюдать интерференционную картину на экране, расположенном перпендикулярно зеркалу.
Интерференция в схеме Ллойда, полученная с помощью лазера. Зеркало Ллойда
Интерференция на тонких пленках. Интерференция при отражении Интерференция
Интерференция света при отражении Если n 1 < n 2, то при отражении в точке B появляется дополнительная фаза. Плоскопараллельная пластина толщины b
Интерференция света при отражении
Интерференция света при отражении Экран равномерно освещён
Интерференция света при отражении Условия наблюдения интерференции: т.е., пластинка тонкая <<
Интерференция света при отражении Полосы равного наклона Схема наблюдения полос равного наклона.
Интерференция света при отражении Интерференционные полосы равного наклона в форме колец возникают при сложении лучей, падающих под одинаковыми к поверхности пластины.
Интерференция света при отражении Условия интерференционного максимума: Максимальный порядок интерференции при.
Интерференция света при отражении Плоский клин. Полосы равной толщины
Интерференция света при отражении Этот вид интерференции называется «полосы равной толщины», т.к. каждая полоса возникает в результате отражения волн от участка клина с фиксированной толщиной.
Интерференция света при отражении Полосы равной толщины. Интерференция в мыльных плёнках.
Интерференция света при отражении Интерференция на тонких пленках (мыльный пузырь).
Интерференция света при отражении Интерференция света на нефтяной плёнке.
Интерференция света при отражении Кольца Ньютона
Немного геометрии AO 2 = AC 2 – R 2 = = (AD – R) 2 – R 2 = = AD 2 – 2AD·R = = AD(AD – 2R) = = AD·AB - ч.т.д.
Интерференция света при отражении При отражении света в точке А появляется дополнительная фаза.
Интерференция света при отражении
Интерференция света при отражении Фотография колец Ньютона.
Интерферометры Интерферометрами называют оптические приборы, основанные на интерференции света. Интерферометры позволяют с высокой степенью точности измерять линейные и угловые расстояния малые разности показателей преломления, исследовать структуру спектральных линий.
Интерферометры Строго параллельные поверхности тщательно отшлифованы, отклонения менее 0,01 . Поверхности покрыты многослойным диэлектрическим покрытием с = 0,85 – 0,98. Интерферометр Фабри -Перо Стеклянные или кварцевые пластины
Интерферометры
Интерферометры
Интерферометры
Интерферометры
Интерферометры Интерферометр Майкельсона
Интерферометры Подвижное зеркало с микрометрическим винтом Полупрозрачное зеркало отражает половину падающего пучка Монохроматический источник света Неподвижное зеркало Интерференция двух пучков с разными оптическими длинами Компенсационная пластина из такого же материала и такой толщины как и полупрозрачное зеркало
Интерферометры Интерферометр Маха-Цендера Схема интерферометра Маха-Цендера
Просветление оптики Просветле́ние о́птики — это уменьшение коэффициента отражения путём нанесения на поверхность линз, граничащих с воздухом, тонких плёнок, что приводит к деструктивной интерференции отражённого света.
Просветление оптики Потери энергии в многолинзовых приборах более 50%. Для эффективной интерференции необходимо, чтобы.
Просветление оптики Пусть Дважды отражение от оптически более плотной среды
Спасибо за внимание! Следующая лекция 6 апреля Общая физика, 4-ый семестр
Геометрическая оптика Условие применимости и законы геометрической оптики λ - длина волны света, l –размер оптической системы, d – характерный размер препятствий, отверстий и т.п. Луч – это линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора. В оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно, т.е. лучи – прямые линии. Лучи не влияют друг на друга. Справедливы законы отражения и преломления света. ( λ l) 1/2 << d – условие применимости геометрической оптики
Геометрическая оптика Принцип Ферма Световая энергия распространяется из одной точки в другую по пути, на прохождение которого требуется минимальное время (точнее экстремальное время).
Геометрическая оптика Примеры применения принципа Ферма 1. Однородная среда 2. Отражение света от зеркала Докажем, что дл. SRA = дл. S’RA < < дл. S’R’A = дл. SR’A
Геометрическая оптика 3. Преломление света Задано, найти. Примеры использования принцип Ферма
Рефракция Рефракция – отклонение света от прямолинейного распространения в среде с переменным показателем преломления.
Нижний мираж Рефракция
Верхний мираж Рефракция
Рефракция n n - dn β - d β β β <<1 – угол наклона луча к горизонтали n sin( π /2- β ) = (n-dn)sin( π /2 - β +d β ) n(1 – β 2 /2) = (n-dn)(1 – β 2 /2 + β d β ) => n cos( β ) = (n-dn)cos( β -d β ) cos(x<<1) ~= 1 – x 2 /2 dn(1– β 2 /2)=n β d β =>dn/n= β d β => β 2 /2 = C +ln(n) => β 2 = β 0 2 +2ln(n/n 0 ) = β 0 2 - 2ln(n 0 /n) n 0 β 0
