З теорії електромагнітного поля, розробленої Дж. Максвеллом, слід було: електромагнітні хвилі поширюються зі швидкістю світла - 300 000 км / с, що ці хвилі поперечні, так само як і світлові хвилі. Максвелл припустив, що світло - це електромагнітна хвиля. Надалі це передбачення знайшло експериментальне підтвердження.
Як і електромагнітні хвилі, поширення світла підкоряється тим же законам:
Закон прямолінійного поширення світла. У прозорій однорідному середовищі світло поширюється по прямих лініях. Цей закон дозволяє пояснити, як виникають сонячні і місячні затемнення.
При падінні світла на кордон розділу двох середовищ частина світла відбивається в першу середу, а частина проходить у другу середу, якщо вона прозора, змінюючи при цьому напрямок свого поширення, т. Е. Заломлюється.
Припустимо, що дві монохроматичні світлові хвилі, що накладаються один на одного, збуджують в певній точці простору коливання однакового напрямку: х1 = А1 cos (# 61559; t + # 61546; 1) і x2 = A2 cos (# 61559; t + # 61546; 2) .Під х розуміють напруженість електричного Еілі магнітного Нполей хвилі; вектори Е і Н коливаються у взаємно перпендикулярних площинах (див. § 162). Напруженості електричного і магнітного полів підкоряються принципу суперпозиції (див. § 80 і 110). Амплітуда результуючого коливання в даній точці A 2 = A 2 l + A 2 2 + 2A1 A2 cos (# 61546; 2 - # 61546; 1) (див. 144.2)). Так як хвилі когерентні, то cos (# 61546; 2 - # 61546; 1) має постійне в часі (але своє для кожної точки простору) значення, тому інтенсивність результуючої хвилі (1
У точках простору, де cos (# 61546; 2 - # 61546; 1)> 0, інтенсивність I> I1 + I2. де cos (# 61546; 2 - # 61546; 1) <О, интенсивность I Для некогерентних хвиль різниця (# 61546; 2 - # 61546; 1) безперервно змінюється, тому середнє в часі значення cos (# 61546; 2 - # 61546; 1) дорівнює нулю, і інтенсивність результуючої хвилі скрізь однакова і при I1 = I2 дорівнює 2I1 (для когерентних хвиль при даному умови в максимумах I = 4I1 в мінімумах I = 0). Як можна створити умови, необхідні для виникнення інтерференції світлових хвиль? Для отримання когерентних світлових хвиль застосовують метод поділу хвилі, випромінюваної одним джерелом, на дві частини, які після проходження різних оптичних шляхів накладаються один на одного, і спостерігається інтерференційна картина. Нехай поділ на дві когерентні хвилі відбувається в певній точці О. До точки М, в якій спостерігається інтерференційна картина, одна хвиля в середовищі з показником заломлення n2 пройшла шлях s1, друга - в середовищі з показником заломлення n2 - шлях s2 .Якщо в точці О фаза коливань дорівнює # 61559; t, то в точці М перша хвиля порушить коливання А1 cos # 61559; (t - s1 / v1), друга хвиля - коливання А2 cos # 61559; (t - s2 / v2), де v1 = c / n1. v2 = c / n2 - відповідно фазова швидкість першої та другої хвилі. Різниця фаз коливань, порушуваних хвилями в точці М, дорівнює (Врахували, що # 61559; / с = 2 # шістьдесят одна тисяча п'ятсот п'ятьдесят-два; v / с = 2 # шістьдесят одна тисяча п'ятсот п'ятьдесят-два; # 61548; 0 де # 61548; 0 - довжина хвилі у вакуумі). Твір геометричній довжини sпуті світлової хвилі в даному середовищі на показник n заломлення цього середовища називається оптичною довжиною шляху L, a # 61508; = L2 - L1 - різниця оптичних довжин прохідних хвилями шляхів - називається оптичною різницею ходу. Якщо оптична різниця ходу дорівнює цілому числу довжин хвиль у вакуумі то # 61540; = ± 2 # шістьдесят одна тисяча п'ятсот п'ятьдесят дві; m, і коливання, що збуджуються в точці М обома хвилями, будуть відбуватися в однаковій фазі. Отже, (172.2) є умовою інтерференційного максимуму. Якщо оптична різниця ходу то # 61540; = ± (2m + 1) # 61552 ;, і коливання, що збуджуються в точці М обома хвилями, будуть відбуватися в протифазі. Отже, (172.3) є умовою інтерференційного мінімуму. ЗАСТОСУВАННЯ ІНТЕРФЕРЕНЦІЇ СВІТЛА Явище інтерференції обумовлено хвильової природою світла; його кількісні закономірності залежать від довжини хвилі До- Тому це явище застосовується для підтвердження хвильової природи світла і для вимірювання довжин хвиль (інтерференційна спектроскопії).
Явище інтерференції застосовується також для поліпшення якості оптичних приладів (просвітлення оптики) і отримання високоотражающіх покриттів. Проходження світла через кожну заломлення поверхню лінзи, наприклад через кордон скло - повітря, супроводжується відображенням # 61627; 4% падаючого потоку (при показу тілі заломлення скла # 61627; 1,5). Так як сучасні об'єктиви містять велику кількість лінз, то число відображень в них велике, а тому великі і втрати світлового потоку. Таким чином, інтенсивність минулого світла послаблюється і світлосила оптичного приладу зменшується. Крім того, відображення від поверхонь лінз призводять до виникнення відблисків, що часто (наприклад, у військовій техніці) демаскує положення приладу. Для усунення зазначених недоліків здійснюють так зване просвітлення оптики. Для цього на вільні поверхні лінз наносять тонкі плівки з показником заломлення, меншим, ніж у матеріалу лінзи. При відображенні світла від кордонів розділу повітря - плівка і плівка - скло виникає інтерференція когерентних променів 1 # 61602; і 2 '(рис. 253). Товщину плівки d і показники заломлення скла nс і плівки n можна підібрати так, щоб хвилі, відбиті від обох поверхонь плівки, гасили один одного. Для цього їх амплітуди повинні бути рівні, а оптична різниця ходу дорівнює - (див. (172.3)). Розрахунок показує, що амплітуди відбитих променів рівні, якщо Так як nс. NИ показник заломлення повітря n0 задовольняють умовам nс> n> n0. то втрата напівхвилі відбувається на обох поверхнях; отже, умова мінімуму (припускаємо, що світло падає нормально, т. е. I = 0) де nd - оптична товщина плівки. Зазвичай беруть m = 0, тоді Таким чином, якщо виконується умова (175.1) і оптична товщина плівки дорівнює # 61548; 0/4, то в результаті інтерференції спостерігається гасіння відбитих променів. Так як домогтися одночасного гасіння для всіх довжин хвиль неможливо, то це зазвичай робиться для найбільш вразливою оком довжини хвилі # 61548; 0 # 61627; 0,55 мкм. Тому об'єктиви з просвітленої оптикою мають синювато-червоний відтінок. Створення високоотражающіх покриттів стало можливим лише на основі багатопроменевої інтерференції. На відміну від двопроменевий інтерференції, яку ми розглядали дотепер, многолучевая інтерференція виникає при накладенні великого числа когерентних світлових пучків. Розподіл інтенсивності в інтерференційної картини істотно різниться; інтерференційні максимуми значно вужче і яскравіше, ніж при накладенні двох когерентних світлових пучків. Так, результуюча амплітуда світлових коливань однакової амплітуди в максимумах інтенсивності, де складання відбувається в однаковій фазі, в Nраз більше, а інтенсивність в N 2 разів більше, ніж від одного пучка (N- число интерферирующих пучків). Відзначимо, що для знаходження результуючої амплітуди зручно користуватися графічним методом, використовуючи метод обертового вектора амплітуди (див. § 140). Багатопроменева інтерференція здійснюється в дифракційної решітці (див. § 180). Багатопроменеву інтерференцію можна здійснити в багатошаровій системі чергуються плівок з різними показниками заломлення (але однаковою оптичною товщиною, рівній # 61548; 0/4), нанесених на поверхню, що відбиває (рис. 254). Можна показати, що на кордоні розділу плівок (між двома шарами ZnS з великим показником заломлення n1 знаходиться плівка криолита з меншим показником заломлення n2) виникає велике число відбитих променів, що інтерферують, які при оптичної товщині плівок # 61548; 0/4 будуть взаємно посилюватися, т. Е. Коефіцієнт відображення зростає. Характерною особливістю такої високоотражательной системи є те, що вона діє в дуже вузькій спектральній області, причому чим більше коефіцієнт відбиття, тим вже ця область. Наприклад, система з семи плівок для області 0,5 мкм дає коефіцієнт відображення # 61554; # 61627; 96% (при коефіцієнті пропускання # 61627; 3,5% і коефіцієнті поглинання <0,5%). Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференционных светофильтров (узкополосных оптических фильтров).
Монохроматичне світло від джерела Sпадает під кутом 45 ° на плоскопараллельную пластинку Р1. Сторона пластинки, віддалена від S, посріблена і напівпрозора, розділяє промінь на дві частини: промінь 1 (відбивається від посрібленого шару) і промінь 2 (проходить через вето). Луч 1 відбивається від дзеркала М1 і, повертаючись назад, знову проходить через пластинку Р1 (промінь l '). Луч 2 йде до дзеркала М2. відбивається від нього, повертається назад і відбивається від пластинки Р1 (промінь 2 # 61602;). Так як перший з променів проходить крізь пластинку Р1 двічі, то для компенсації виникає різниці ходу на шляху другого променя ставиться платівка Р2 (точно така ж, як і Р1, тільки не покрита шаром срібла).
Інтерферометри - дуже чутливі оптичні прилади, що дозволяють визначати незначні зміни показника заломлення прозорих тіл (газів, рідких і твердих тіл) в залежності від тиску, температури, домішок і т. Д. Такі інтерферометри отримали назву інтерференційних рефрактометрів. На шляху променів, що інтерферують розташовуються дві однакові кювети довжиною l. одна з яких заповнена, наприклад, газом з відомим (n0), а інша - з невідомим (nz) показниками заломлення. Виникла між интерферирующими променями додаткова оптична різниця ходу # 61508; = (Nz - n0) l. Зміна різниці ходу призведе до зсуву інтерференційних смуг. Цей зсув можна характеризувати величиною
де m0 показує, на яку частину ширини інтерференційної смуги змістилася інтерференційна картина. Вимірюючи величину m0 при відомих l. m0 і # 61548 ;, можна обчислити nz. або зміна nz - n0. Наприклад, при зсуві інтерференційної картини на 1/5 смуги при l = 10 см і # 61548; = 0,5 мкм (nz - n0) = 10 -6. тобто інтерференційні рефрактометри дозволяють вимірювати зміна показника заломлення з дуже високою точністю (до 1/1 000 000).