Идеальная жидкость

Вид материала

Документы

Содержание Интерференция поляризо­ванных лучей К на­блюдатель видит этот участок тём­ным [=(2k+1), k — Рис. 2. Схема для наблюдения хроматич. по­ляризации в сходящихся лучах: N Рис. 3. Интерференция поляризов. лучей в сходящихся лучах при N Интерференция света Дифракционная решётка, Майкельсона эшелон). Рис. 2. Зависимость интенсивности в интерференц. картине интерферометра Фабри — Перо от разности хода . Интерференция состояний L, проходя через объектив O Рис. 1. Схема интер­ферометра Майкель­сона: Р Рис. 2. Схема ин­терферометра Жамена. Р2- слегка повёрнутой относительно p Рис. 3. а —схема звёздного интерферометра Майкельсона; б — вид интерференц. картин. Рис. 4. Схема интерферометра Фабри — Пе­ро (S — источник света). В. И. Малышев.

Подобный материал:

• Профессор Валерий Кирилович Кедринский Динамика одиночной полости в жидкости (математические, 40.82kb.
• Исследование адсорбции пав на границах раздела жидкость-газ и жидкость-твердое тело, 40.56kb.
• Идеальная пара для стимуляции и синхронизации охоты у коров, 170.7kb.
• Мама, папа, я – идеальная семья, 31.08kb.
• Список принятых докладов, 185.98kb.
• Идеальная модель экономического устройства общества предполагает использование механизма, 26.68kb.
• Назначение фильтров и их место в измерительной системе, 159.98kb.
• Краткий справочник по проектированию и бурению скважин на воду, 2392.28kb.
• Алексушин И. Н, 128.72kb.
• В. В. Радаев Рынок как идеальная модель и форма хозяйства, 285.76kb.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ПОЛЯРИЗО­ВАННЫХ ЛУЧЕЙ света, явление, возникающее при сложении когерент­ных поляризованных световых коле­баний (см. Поляризация света). Наи­больший контраст интерференцион­ной картины наблюдается при сло­жении колебаний одного вида поляри­зации (линейных, круговых, эллип­тических) с совпадающими азимута-

ми. Ортогональные колебания не ин­терферируют. Так, при сложении двух линейно поляризованных взаимно перпендикулярных колебаний в общем случае возникает эллиптически по­ляризованное колебание, интенсив­ность к-рого равна сумме интенсивностей исходных колебаний.

И. п. л. можно наблюдать, напр., при прохождении линейно поляризо­ванного света через анизотропные среды. Попадая в такую среду, луч разделяется на два когерентных, по­ляризованных во взаимно перпендику­лярных плоскостях луча, имеющих разные скорости распространения, вследствие чего между ними возникает разность фаз, зависящая от расстоя­ния, пройденного ими в в-ве. Если повернуть плоскость поляризации од­ного из лучей до совпадения с пло­скостью поляризации другого луча или выделить из обоих лучей ком­поненты с одинаковым направлением колебаний, то такие лучи будут ин­терферировать.

Схема наблюдения И. п. л. в парал­лельных лучах показана на рис. 1,а. Пучок параллельных лучей выходит из поляризатора n₁ линейно поляризо­ванным в направлении N₁N₁. В пла­стинке К, вырезанной из двоякопреломляющего одноосного кристалла па­раллельно его оптич. оси ОО и рас­положенной перпендикулярно пада­ющим лучам, происходит разделение

луча на составляющую А_е (рис. 1, б) с колебаниями параллельно ОО (не­обыкновенный луч) и составляющую А₀ с колебаниями перпендикулярно ОО (обыкновенный луч). Для повы­шения контраста интерференц. кар­тины угол между N₁ и А₀ устанавлива­ют равным 45°, благодаря чему ампли­туды колебаний А_е и А₀ равны.

Показатели преломления материала пластинки К для этих двух лучей (n_е и n₀) различны, а следовательно, различны скорости их распростране­ния в К, вследствие чего эти лучи, распространяясь по одному направле­нию, приобретают разность хода. Раз­ность фаз  их колебаний при выходе

из К равна: =2l/ (n₀-n_e), где l — толщина К,  — длина волны падаю­щего света. Анализатор N₂ пропуска­ет из каждого луча только слагающую с колебаниями в плоскости его гл. сечения N₂N₂. Если N₁N₂ (оптич. оси анализатора и поляризатора скре­щены), амплитуды слагающих a₁ и А₂ равны, а разность фаз =+. Лучи



223


когерентны и интерферируют между собой. В зависимости от величины  на к.-л. участке пластинки К на­блюдатель видит этот участок тём­ным [=(2k+1), k — целое число] или светлым (=2k) в монохроматич. свете и окрашенным — в белом (хроматическая поляри­зация). Если пластинка К неодно­родна по толщине или по показателю преломления, её участки, в к-рых



Рис. 2. Схема для наблюдения хроматич. по­ляризации в сходящихся лучах: N₁ — поля­ризатор; N₂ — анализатор; К — пластинка толщиной l, вырезанная из одноосного двулучепреломляющего кристалла перпенди­кулярно его оптич. оси; L₁, L₂ — линзы.

эти параметры одинаковы, видны со­ответственно одинаково тёмными или светлыми или одинаково окрашенны­ми. Линии одинаковой цветности наз. изохромами.

Пример И. п. л. в сходящихся лучах показан на рис. 2. Сходящийся плоскополяризов. пучок лучей из лин­зы l₁ падает на пластинку, вырезан­ную из одноосного кристалла перпен­дикулярно его оптич. оси. При этом лучи разного наклона проходят раз­ные пути в пластинке, а необыкновен­ный и обыкновенный лучи приобретают

разность хода =(2l/cos)(n₀-n_e), где  — угол между направлением распространения обоих лучей и нор­малью к поверхности кристалла. Интерференц. картина для этого случая дана на рис. 3,а. Точки, соответствую­щие одинаковым разностям фаз, рас­положены по концентрич. окружно­стям (тёмным или светлым, в зависимо­сти от ).



Рис. 3. Интерференция поляризов. лучей в сходящихся лучах при N₁N₂ для одноос­ного двулучепреломляющего кристалла: а — срез перпендикулярен оптич. оси; б — срез параллелен оптич. оси.

И. п. л. находит широкое приме­нение в кристаллооптике, для иссле­дования состояния поляризации све­та, напряжений.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА, прост­ранственное перераспределение энер­гии светового излучения при наложе­нии двух или неск. световых волн;

частный случай общего явления ин­терференции волн. Нек-рые явления И. с. наблюдались ещё И. Ньютоном в 17 в., однако не могли быть им объяс­нены с точки зрения его корпускуляр­ной теории (см. Оптика). Правильное объяснение И. с. как типично волно­вого явления было дано в нач. 19 в. франц. физиком О. Ж. Френелем и англ. учёным Т. Юнгом. Наиболее часто наблюдается И. с., характери­зующаяся образованием стационар­ной (постоянной во времени) интерфе­ренционной картины (и. к.) — регу­лярного чередования областей повы­шенной и пониженной интенсивности света (см., напр., Ньютона кольца); к явлениям И. с. относятся также све­товые биения и явления корреляции интенсивности (см. ниже). Строгое объяснение этих явлений требует учё­та как волновых, так и корпускуляр­ных св-в света и даётся на основе квант. электродинамики.

Стационарная И. с. воз­никает при наличии пост. разности фаз (или определ. корреляции фаз)



Рис. 1. Схема опыта Юнга. Справа сплошной линией пред­ставлена зависимость интенсив­ности на экране от координа­ты, нормальной щелям; пунк­тиром показана освещённость экрана при поочерёдном закры­вании щелей.


налагающихся волн (см. Когерент­ность). До появления лазеров коге­рентные световые пучки могли быть получены только путём разделения и последоват. сведения лучей, исходя­щих из одного и того же источника (см., напр., Френеля зеркала). Требо­вание когерентности налагает огра­ничения на угл. размеры источника и на ширину спектра излучения. Так, напр., в классич. опыте Юнга, в к-ром малый источник с линейным размером излучающей поверхности S освещает две узкие щели (рис. 1), когерентность обеспечивается услови­ем: SR/d, где  — ср. длина волны света, R — расстояние от источника до экрана со щелями, d — расстоя­ние между щелями. Когерентность также зависит от разности хода  интерферирующих лучей, к-рая, бу­дучи выраженной в длинах световых волн, наз. порядком интерференции. С ростом б когерентность, а вместе с ней и контраст и. к. падает тем бы­стрее, чем шире спектр  света. Макс. разность хода, при к-рой и. к. ещё видна, имеет порядок

()^-1. В белом свете наблюдается и. к. са­мых низких порядков (1—2-го), при­чём окрашенная, поскольку положение максимумов и минимумов интен­сивности света на и. к. зависит от . Для узких спектр. линий порядок И. с. может доходить до 10⁵—10⁶, что соответствует разности хода в неск. см. Для наиболее монохроматических лазерных источников допустимая раз­ность хода измеряется тысячами км.

Ограничения, связанные с когерент­ностью, могут быть поняты из рассмо­трения наложения и. к. от отдельных точек реального источника. При слиш­ком больших размерах источника сум­марная и. к. оказывается смазанной.

Различают двухлучевую и многолу­чевую И. с. В первом случае свет в каждую точку и. к. приходит от об­щего источника по двум путям, как на рис. 1, при этом распределение интенсивности на и. к. явл. гармонич. ф-цией (cos²2/). Многолучевая

И. с. возникает при наложении мн. когерентных волн, получаемых деле­нием исходного волн. фронта с по­мощью многократных отражений (напр., в интерферометре Фабри —

Перо) или дифракцией на многоэле­ментных периодич. структурах (см., напр., Дифракционная решётка, Майкельсона эшелон). При многолучевой И. с. интенсивность и. к. явл. перио­дической, но не гармонич. ф-цией  (рис. 2). Резкая зависимость интенсивности и. к. от длины волны при многолучевой И. с. широко использу­ется в спектр. приборах.



Рис. 2. Зависимость интенсивности в интерференц. картине интерферометра Фабри — Перо от разности хода .


Из естеств. проявлений И. с. наи­более известно радужное окрашива­ние тонких плёнок (масляные плён­ки на воде, мыльные пузыри, окисные плёнки на металлах), возникающее вследствие И. с., отражённого двумя поверхностями плёнки. В тонких плён­ках перем. толщины при освещении

224


протяжённым источником локализа­ция и. к. происходит на поверхности плёнки, при этом данная интерференц. полоса соответствует одной и той же толщине плёнки (полосы равной тол­щины). В белом свете полосы окраше­ны. В тонких плёнках строго пост. толщины (с точностью до долей Я) одинаковую разность хода имеют лу­чи, падающие на плёнку под одним и тем же углом, и интерференц. полосы наз. полосами равного наклона. Они локализованы в бесконечности, и на­блюдать их можно в фокальной пло­скости линзы. Если при наблюдении И. с. от обычных источников света и. к. имеет малую яркость и размеры, то при использовании лазеров явле­ния И. с. настолько ярки и характер­ны, что нужны особые меры для полу­чения равномерной освещённости. Чрезвычайно высокая когерентность лазерного излучения приводит к появ­лению помех интерференц. происхо­ждения при наблюдении объектов, освещённых лазером. При лазерном освещении произвольной шероховатой поверхности глаз воспринимает хаотич. картину световых пятен, мерцаю­щую при перемещении наблюдателя (нерегулярная и. к., к-рая при обыч­ном освещении не наблюдается).

К явлениям И. с. относятся также световые биения, возникаю­щие при наложении световых полей разных частот. В этом случае обра­зуется бегущая в пр-ве и. к., так что в заданной точке интенсив­ность света периодически меняется во времени с частотой, равной разно­сти частот интерферирующих волн. Биения возникают в обычных (не­лазерных) схемах И. с. при измене­нии во времени хода интерферирую­щих лучей. Наблюдение биений в излу­чении независимых источников света возможно только для лазерных источ­ников.

Эффектами, родственными световым биениям, явл. корреляции ин­тенсивности, наблюдаемые при установке двух фотоприёмников (напр., счётчиков фотонов) в пределах пло­щади когерентности. На интервалах времени порядка (или менее) обрат­ной ширины спектра излучения обна­руживается превышение числа пар­ных фотонных совпадений над фоном случайных событий. Зависимость это­го превышения от расстояния между счётчиками позволяет судить о пло­щади когерентности поля излучения, что нашло применение для измерения диаметра звёзд наряду с традиционным методом звёздного интерферометра.

И. с. широко используется при спе­ктральном анализе для точного изме­рения расстояний и углов, в рефрак­тометрии, в задачах контроля кач-ва поверхностей, для создания све­тофильтров, зеркал, просветляющих покрытий и др.; на явлениях И. с. основана голография. Важный слу­чай И. С.— интерференция поляризо­ванных лучей.


• Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Калитеевский Н. И., Волновая оптика, 2 изд., М., 1978; Вольф Э., Мандель Л., Когерентные свойства оптических полей, «УФН», 1965, т. 87, в. 3, с. 491; 1966, т. 88, в. 2, с. 347; Клаудер Дж., С у д а р ш а н Э., Основы квантовой оптики, пер. с англ., М., 1970.

Е. Б. Александров.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СОСТОЯНИЙ, суперпозиция состояний квантовомеханич. системы, определяемая прин­ципом суперпозиции. См. Квантовая механика.

ИНТЕРФЕРОМЕТР, измерительный прибор, основанный на интерференции волн. Существуют И. для звук. волн и для эл.-магн. волн (оптических и радиоволн). Оптич. И. применяются для измерения оптич. длин волн спектр. линий, показателей преломле­ния прозрачных сред, абс. и относит. длин объектов, угл. размеров звёзд и пр., для контроля кач-ва оптич. де­талей и их поверхностей и т. д.

Принцип действия всех И. одина­ков, и различаются они лишь метода­ми получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства простран­ственно разделяется на два или боль­шее число когерентных пучков (см. Когерентность), к-рые проходят разл. оптич. пути, а затем сводятся вместе, и наблюдается результат их интер­ференции (см. Интерференция света). Вид интерференционной картины за­висит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, оптич. раз­ности, хода, относит. интенсивности, размеров источника, спектр. состава света.

Методы получения когерентных пучков в И. разнообразны, и потому существует большое число разл. кон­струкций И. По числу интерферирую­щих пучков света оптич. И. можно разделить на многолучевые и двухлучевые. Многолучевые И. применя­ются гл. обр. как интерференционные спектральные приборы для исследова­ния спектр. состава света. Двухлучевые И. используются и как спектр. приборы, и как приборы для физ. и техн. измерений.

Примером двухлучевого И. может служить интерферометр Майкельсона (рис. 1). Парал­лельный пучок света источника L, проходя через объектив O₁ и попадая на полупрозрачную пластинку Р₁ разделяется на два когерентных пучка 1 и 2. После отражения от зеркал m₁ и М₂ и повторного прохождения луча 2 через пластинку P₁ оба пучка про­ходят в направлении А О через объек­тив O₂ и интерферируют в его фокаль­ной плоскости D. Наблюдаемая интер­ференц. картина соответствует интер­ференции в возд. слое, образованном зеркалом M₂ и мнимым изображением М'₁ зеркала M₁ в пластинке P₁. Оп­тич. разность хода при этом равна: =2(AC-АВ)=2l, где l — расстояние между M₂ и M'₁. Если зеркало М₁ расположено так, что М'₁ и М₂ па­раллельны, то образуются полосы рав­ного наклона, локализованные в фо­кальной плоскости объектива O₂ и имеющие форму концентрич. колец. Если же M₂ и М'₁ образуют возд. клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина M₂M'₁ и представляющие собой параллельные линии.



Рис. 1. Схема интер­ферометра Майкель­сона: Р₂ — пластин­ка, компенсирующая дополнит. разность хода, появляющуюся за счёт того, что луч 1 проходит только один раз через пла­стинку P₁; D — диа­фрагма.


Интерферометром Майкельсона ши­роко пользуются в физ. измерениях и техн. приборах. С его помощью впер­вые была измерена абс. величина дли­ны волны света, доказана независи­мость скорости света от движения ис­точника и др. (см. Майкельсона опыт). Он используется и как спектральный прибор, позволяющий анализировать спектры излучения с высоким разре­шением, доходящим до ~0,005 см^-1 (см. Фурье спектроскопия).

Интерферометр Майкельсона при­меняется в технике для абс. и отно­сит. измерений длин эталонных пла­стинок с точностью до 0,005 мкм. В со­четании с микроскопом он позволяет по виду интерференц. картины изме­рять величину отступлений от пло­скости и форму микронеровностей металлич. поверхностей.

Существуют двухлучевые И., пред­назначенные для измерения показа­телей преломления газов и жидко­стей — интерференц. рефрактометры.



Рис. 2. Схема ин­терферометра Жамена.


Один из них — интерферо­метр Жамена (рис. 2). Пучок монохроматич. света S после отраже­ния от передней и задней поверхностей первой стеклянной пластинки Р₁ раз­деляется на два пучка S₁ и S₂. Пройдя через кюветы К₁ и К₂ и отразившись от поверхностей стеклянной пластин-

225


ки Р₂- слегка повёрнутой относительно p₁, пучки попадают в зрит. трубу Т, где интерферируют, образуя прямые полосы равного наклона. Если одна из кювет наполнена в-вом с показате­лем преломления n₁, а другая — с n₂, то по смещению интерференц. картины на число полос т по сравнению со слу­чаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же в-вом, можно найти



Рис. 3. а —схема звёздного интерферометра Майкельсона; б — вид интерференц. картин.


n=n₁-n₂=m/l ( — длина волны света, l — длина кюветы). Точность измерения n очень высока и дости­гает 7-го и даже 8-го десятичного зна­ка.

Для измерения угл. размеров звёзд и угл. расстояний между двойными звёздами применяется звёздный интерферометр Майкельсона (рис. 3, а). Свет от звезды, отразив­шись от плоских зеркал М₁, М₂, М₃, M₄, образует в фокальной плоскости телескопа интерференц. картину. Угл. расстояние между соседними макси­мумами =/D, где D — расстояние между зеркалами M₁ и М₂ (рис. 3, а). При наличии двух близких звёзд, находящихся на угл. расстоянии , в телескопе образуются две интерференц. картины, также смещённые на угол , ухудшая видимость полос. Измене­нием D добиваются наихудшей види­мости картины, что будет при условии

=¹/₂=/2D, откуда можно опре­делить .

Многолучевой интер­ферометр Фабри — Перо (рис. 4) состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок Р₁ и Р₂, на обращённые друг к другу и парал­лельные между собой поверхности к-рых нанесены зеркальные покрытия с высоким (85—98%) коэфф. отраже­ния. Параллельный пучок света, па­дающий из объектива О₁, в результате многократного отражения от зеркал образует большое число параллельных

когерентных пучков с пост. разностью хода =2nhcos между соседними пучками, но разл. интенсивности. В ре­зультате многолучевой интерференции в фокальной плоскости L объектива О₂ образуется интерференц. картина, имеющая форму концентрич. колец с резкими интенсивными максимума­ми, положение к-рых определяется из условия =m (m — целое число), т. е.




Рис. 4. Схема интерферометра Фабри — Пе­ро (S — источник света).


зависит от длины волны. Поэтому ин­терферометр Фабри — Перо разлагает сложное излучение в спектр. Приме­няется такой И. и как интерференци­онный спектр. прибор высокой разре­шающей силы, к-рая зависит от ко­эфф. отражения зеркал  и от расстоя­ния h между пластинками, возрастая с их увеличением. Так, напр., при =0,9,h=100 мм, = 5000Å ми­нимальный разрешаемый интервал длин волн =5*10^-4 Å. Специальные сканирующие интерферометры Фаб­ри — Перо с фотоэлектрич. регистра­цией используются для исследования спектров в видимой, ИК и в санти­метровой области длин волн.

Разновидностью интерферометров Фабри — Перо явл. оптические резо­наторы лазеров, излучающая среда к-рых располагается между зеркала­ми И. Разность частот  между со­седними продольными модами в излу­чении лазеров зависит от расстояния между зеркалами резонатора l: =с/2l. Перемещение одного из зеркал на величину l приводит к изменению разностной частоты на ()=cl/2l², к-рое может быть измерено с помощью фотоприёмника радиотехн. метода­ми. Это используется в лазерных И., предназначенных для измерения длин объектов и их перемещений.

Использование в измерит. И. в кач-ве источника света лазеров, обладаю­щих высокой монохроматичностью и когерентностью, позволяет значи­тельно повысить точность измерений.

• Л а н д с б е р г Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Захарьевский А. Н., Интерферометры, М., 1952; Малышев В. И., Введение в эксперимен­тальную спектроскопию, М., 1979; Инфра­красная спектроскопия высокого разре­шения. Сб. статей, пер. с франц. и англ., М., 1972; Крылов К. И., Прокопен­ко В. Т., Митрофанов А. С., При­менение лазеров в машиностроении и прибо­ростроении, Л., 1978.

В. И. Малышев.