Интерференция света в тонких пленках. Оптическая толщина пленки
2. Определение толщины прозрачной пленки на прозрачной подложке
Для прозрачных тонких диэлектрических и полупроводниковых пленок при падении на них света характерны интерференционные явления (рис.18).
Рис.18.Схематический ход лучей через систему прозрачные пленка-подложка
При определенных условиях при сложении отраженных или прошедших пучков будет наблюдаться интерференция с усилением или с ослаблением интенсивности, и спектр пропускания (отражения) будет выглядеть следующим образом (рис.19).
Рис.19. Спектр пропускания системы пленка-подложка
Не рассматривая математического вывода формул, отметим, что на спектре пропускания системы пленка-подложка при нормальном падении излучения экстремальные значения наблюдаются при условии nпл·d=m·/4,
где nпл-показатель преломления пленки;
d-толщина пленки;
m- порядок интерференции;
длина волны в экстремуме.
Максимальные значения коэффициента пропускания соответствуют четным m, минимальные - нечетным. Для двух соседних экстремумов с четнымmможно записать:
nпл·d=m·m/4=(m+2)·m+2/4,
mиm+2- длины волн, соответствующие соседним экстремумам с четнымm.
Отсюда 
Если показатель преломления пленки неизвестен, то его находят из выражения:
где Т-коэффициент пропускания системы пленка-подложка для нечетного m;nпл- показатель преломления пленки;
nп- показатель преломления подложки;
Определив m,nп,nпл, определяют толщину пленкиd.
3. Измерение коэффициента пропускания металлических пленок
В отличие от диэлектриков и полупроводников в металлах большое число электронов слабо связано с атомами металла, и эти электроны считают свободными. Наличием свободных электронов объясняются особенности отражения света от металлической поверхности. Вторичные волны, вызванные вынужденными колебаниями свободных электронов, порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95% (и даже больше) интенсивности падающей, и сравнительно слабую волну, идущую внутрь металла. Так как плотность свободных электронов весьма значительна (~ 1022в 1 см3), то даже очень тонкие слои металла отражают большую часть падающего на них света. Та часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем поглощение.
Какая доля света не пропускается металлом вследствие отражения и какая задерживается в нем благодаря поглощению, зависит от его проводимости. В идеальном проводнике поглощение равно нулю, так что падающий свет полностью отражается. К такому идеалу приближаются серебряные пленки. В металлах хуже проводящих, например, в железе отражение может составлять всего лишь 30-40%, так что непрозрачная пленка железа толщиной не более доли микрона поглощает около 60% падающего на нее света.
Таким образом, характерная особенность металла, состоящая в его высокой отражательной способности и проявляющаяся в наличии особого "металлического" блеска чистой поверхности, связана с его электропроводностью. Чем больше коэффициент электропроводности, тем, в общем случае, выше отражательная способность металлов.
В нашей лаборатории отражательная способность металлов может быть измерена с помощью гелий-неонового лазера на длине волны 630 нм. Литературные данные для близкой длины волны дают следующую связь коэффициента отражения металлической пленки на длине волны 600 нм и удельного сопротивления:
| Металл | R, % | ρ, 10-6 Ом·см |
| Серебро | 98,4 | 2,07 |
| Медь | 92,8 | 2,28 |
| Золото | 91,9 | 2,89 |
| Алюминий | 91,0 | 3,86 |
Но высокие значения коэффициента отражения можно получить лишь для пленок, полученных в оптимальных условиях. Факторами, влияющими на коэффициент отражения, являются: скорость напыления, давление во время напыления, толщина напыленной пленки, температура подложки, угол падения вещества, степень чистоты испаряемого материала и, наконец, старение полученного покрытия на воздухе.
Поглощение света металлами может быть использовано для оценки толщины металлической пленки. Прохождение света через проводящие вещества определяется соотношением:
I=I0exp(-4πnkd/),
где d-толщина поглощающего слоя;
n- показатель преломления для длины волны;
k- показатель поглощения для длины волны;
I0- интенсивность падающего излучения;
I- интенсивность прошедшего излучения.
Измерение коэффициента пропускания полупрозрачной металлической пленки (I/I0) позволит оценить ее толщину по приведенной выше формуле.
Таблица 2.1
| Материал | = 500 нм | |
| n | k | |
| Cu | 1,06 | 2,55 |
| Fe | 1,46 | 2,17 |
| Mo | 3,15 | 1,18 |
| Ni | 1,54 | 2,01 |
| V | 2,65 | 2,56 |
Определение коэффициента пропускания на фотометре ЛМФ-72М
Фотометр типа ЛМФ-72 предназначен для измерения коэффициента пропускания и оптической плотности в спектральном диапазоне от 365 до 750 нм и определения концентрации растворов по градуировочным графикам, а также как индикатор при проведении нефелометрического и флуориметрического анализа. Оптическая схема фотометра приведена на рис.20.
Рис.20. Оптическая схема фотометра ЛМФ-72М
1-лампа накаливания;
2-конденсор;
3-объектив;
4-щелевая диафрагма;
5-модулятор;
6-сменный интерференционный или абсорбционный светофильтр;
7-тепловой светофильтр;
8-измеряемый образец;
9-абсорбционный светофильтр; '
10-защитное стекло;
11-фотоумножитель.
Лабораторный фотометр выполнен по однолучевой схеме с модуляцией светового потока и непосредственным отсчетом. При измерении коэффициента пропускания световой поток от лампы накаливания (1), сформированный конденсором, состоящим из линз (2), и объективом (3) в параллельный пучок, через плавно регулируемую щель диафрагмы (4), модулятор светового потока (5), интерференционный светофильтр (6) проходит сквозь измеряемый образец и попадает на фотокатод светоприемника.
Порядок работы
1. Включить фотометр в сеть. Время прогрева прибора 10-15 мин.
2. Произвести калибровку шкалы Т. Для этого в гнездо "фильтр" вставьте интерференционный светофильтр с необходимой длиной волны в максимуме пропускания, кюветодержатель в положение "0". Нажмите кнопку "У" и, вращая ручку "0-точно", совместите стрелку показывающего прибора с отметкой "0" шкалы. Установите кюветодержатель в положение "100", ручкой "диафрагма" подведите стрелку прибора к отметке "100" шкалы, затем ручкой "100-точно" совместите стрелку с отметкой "100".
3. Измерение коэффициента пропускания. Установите кюветодержатель в положение "0". Снимите крышку и вставьте измеряемый образец в держатель. Закройте крышку, переведите кюветодержатель в положение "100" и произведите отсчет по шкале измерительного прибора (коэффициент пропускания в процентах).
4. Выключите фотометр.
При работе на фотометре запрещается:
- производить смену светофильтров в положении "100".
- выполнять измерения при открытой измерительной камере.
Исследование спектров пропускания и поглощения в ультрафиолетовой и видимой области спектра на приборе "Specord UV-VIS"
"SpecordUV-VIS" - автоматический двухлучевой спектрофотометр, регистрирующий линейно пропускание или экстинкции проб как функцию волнового числа. Представление спектров через волновое число является удобным, так как по соотношениюE=hν=hc/=hc
, где
Е-энергия;
h- постоянная Планка;
с - скорость света;
ν- частота;
- длина волны;
- волновое число,
энергия прямопропорциональна волновому числу.
Принципиальная оптическая схема спектрофотометра "SpecordUV-VIS" приведена на рис.21.
В качестве источника света в ультрафиолетовой области спектра используется дейтериевая лампа, в видимой - лампа накаливания. Световой пучок попадает на входную щель монохроматора, откуда монохроматический пучок направляется на зеркальный прерыватель, где он разделяется на два потока, образующие канал измерения и канал сравнения. На приемник излучения, в качестве которого используется сурьмяно-цезиевый фотоумножитель, падает свет то из канала образца, то из канала сравнения. Регистрация спектров производится пером на специальном бланке.
В конструкции спектрофотометра предусмотрены различные параметры регистрации. В настоящий момент на приборе установлены: масштаб волнового числа-12.5мм/1000 см-1; время регистрации спектра - 4.4 мин/лист; скорость регистрации-5000 см-1/мин.
Рис.21.Оптическая схема спектрофотометра "SpecordUV-VIS"
Отсчет волнового числа осуществляется по нониусу. При работе используются следующие масштабы ординат:
0 – 100 %-коэффициент пропускания, стандартная область;
0 – 20 %-коэффициент пропускания, растяжение ординат для образцов с малой проницаемостью;
-0,1 - +1,4-экстинкция.
Порядок работы на спектрофотометре "SpecordUVVIS"
1. Включить вилку прибора в сеть. Нажать кнопку "Сеть".
2. Включить лампу (источник света) для соответствующего участка спектра.
3. Вставить перо самописца.
4. Используя кнопки "Быстро вперед" и "Быстро назад", по нониусу против нуля установить целое число (например, 21000 см-1). Положить регистрационный лист на каретку самописца так, чтобы при закрытом канале измерения перо самописца находилось в точке пересечения горизонтальной нулевой линии и вертикальной черты.
5. Проверить положение нуля и правильность установки регистрационного листа, проведя пробную регистрацию (нажать кнопку "Пуск").
6. Установить 100%-ю линию. Открыть канал измерения и провести пробную регистрацию. Если регистрируемая линия проходит параллельно 100%, то она выводится на 100% - ю ручкой 100%-й коррекции.
7. Нажать кнопку "Быстро назад". Каретка быстро движется вправо, а регистрирующее устройство занимает левое крайнее положение.
8. Поместить измеряемый образец в кюветный отсек в ближний канал.
9. Нажать клавишу "Пуск". Начатая таким образом регистрация может быть прервана в любом месте нажатием клавиши "Стоп".
10. Вынуть регистрационный лист, выключить лампу, отжать кнопку "Сеть".
Кнопочное управление на лицевой панели
- Сеть
- Быстро вперед. Каретка быстро двигается влево, одновременно происходит прогон волнового числа.
- Быстро назад. Каретка быстро двигается вправо.
- Регистрация с автоматическим возвратом каретки.
- Пуск. Начало записи спектра.
- Стоп. Регистрирующее устройство останавливается.
- Источник излучения.
studfiles.net
Оптика тонких плёнок — WiKi
Дихроические фильтры создаются при помощи покрытия тонкими плёнкамиО́птика то́нких плёнок Тонкие пленки, нанесенные на поверхность вещества, в частности на стекло, из которого изготовляются оптические приборы, значительно влияют на отражение и пропускание света, если их толщина соизмерима с длиной световой волны.
Наиболее интересные свойства имеют пленки с толщиной, которая равняется (четверти длины волны + целое число длин волн), либо (половина длины волны + целое число длин волн), которые, соответственно, максимально уменьшают или увеличивают отражение света поверхностью.
Если свет с длиной волны λ падает из среды с показателем преломления n1{\displaystyle n_{1}} под углом θ1{\displaystyle \theta _{1}} на вещество с показателем преломления n3{\displaystyle n_{3}} , покрытую тонкой пленкой с показателем преломления n2{\displaystyle n_{2}} и толщиной h{\displaystyle h} , то при оптической толщине плёнки H=n2h{\displaystyle H=n_{2}h}
H=λ4cosθ2,3λ4cosθ2,5λ4cosθ2,…{\displaystyle H={\frac {\lambda }{4\cos \theta _{2}}},\quad {\frac {3\lambda }{4\cos \theta _{2}}},\quad {\frac {5\lambda }{4\cos \theta _{2}}},\ldots }то коэффициент отражения
R=(r12−r231−r12r23)2,{\displaystyle R=\left({\frac {r_{12}-r_{23}}{1-r_{12}r_{23}}}\right)^{2},}где r12{\displaystyle r_{12}} — коэффициент отражения на грани сред 1 и 2, и для нормального падения
R=(n1n3−n22n1n3+n22)2.{\displaystyle R=\left({\frac {n_{1}n_{3}-n_{2}^{2}}{n_{1}n_{3}+n_{2}^{2}}}\right)^{2}.}Отсюда видно, что коэффициент отражения можно сделать нулевым, если подобрать материалы так, чтобы n1n3=n22{\displaystyle n_{1}n_{3}=n_{2}^{2}} . На этом принципе работает просветление оптики. Обычно подобрать вещество, для которого это соотношение выполнялось бы идеально (а еще необходимо, чтобы пленка хорошо держалась на стекле) трудно, потому используются вещества с близким показателем преломления.
Если n22≫n1n3{\displaystyle n_{2}^{2}\gg n_{1}n_{3}} , то коэффициент отражения становится близким к единице, что можно использовать для изготовления зеркал.
ru-wiki.org
Оптика тонких плёнок — Традиция
Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
«Радужные» цветные плёнки масла (или бензина) на воде образуются благодаря интерференции в лучах белого света, падающего и отражённого от границы «вода-масло». Различия в цвете вызваны разной толщиной плёнки.Оптика тонких плёнок — раздел оптики, изучающий взаимодействие света и тонких пленок оптических материалов, нанесенные на поверхность вещества. Благодаря явлению интерференции, тонкие плёнки, толщина которых соизмерима с длиной волны падающего света, существенно изменяют характер отражения и пропускания света.
Физика отражения в тонких плёнках[править]
Интерференция в четверть-волновом просветлённом покрытииСвет с длиной волны λ, попадая на вещество из среды с показателем преломления \( n_1 \) под углом \( \theta_1 \) на среду с показателем преломления \( n_3 \), покрытую тонкой плёнкой с показателем преломления \( n_2 \) и толщиной h, то при оптической толщине плёнки \( H = n_2 h \) $$ H = \frac{\lambda}{4{ \href {//traditio.wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%83%D1%81}{ \texttip { \cos}{ Косинус }}} \theta_2}, \quad \frac{3\lambda}{4 \cos \theta_2}, \quad \frac{5\lambda}{4 \cos \theta_2}, \ldots $$
коэффициент отражения $$ R = \left( \frac{r_{12} - r_{23}}{1 - r_{12}r_{23}} \right)^2 $$
На русском языке[править]
На иностранных языках[править]
- M. F. Land (1972). "The physics and biology of animal reflectors, " Progress in Biophysics and Molecular Biology, 24:75-106. doi:10.1016/0079-6107(72)90004-1 . An excellent introduction to thin-film optics, with a focus on biology. Cites more rigorous treatments.
- Z. Knittl: Optics of thin films, Wiley, 1981.
- I. Moreno, et al., "Thin-film spatial filters, " Optics Letters 30, 914—916 (2005)
traditio.wiki
Просветляющие оптические покрытия - domovoi111
Когда выбираешь объектив для фотоаппарата или для видеокамеры наблюдения неплохо бы познакомиться с основными параметрами изделия, но не так, как представлены они в каталогах скупыми цифрами отдельных параметров, а так, чтоб понять, что и для чего собственно существует. Про объективы можно посмотреть тут. А здесь Объективы для камер видеонаблюдения.Про просветление оптики немного расскажу ниже, так как не нашел в сети в открытом доступе популярного изложения предмета.Фотографы еще в 30 годах прошлого века обнаружили, что старые объективы дают лучшее изображение, чем новые. Оказалось, что благодаря выщелачиванию поверхности стекла на воздухе с течением времени показатель преломления поверхностного слоя стекла уменьшается, что и является причиной указанного явления. В ЛОМО в Ленинграде под руководством Крыловой стали заниматься нанесением разных химических веществ на поверхность линз, что позволяло уменьшать отражение от поверхности линзы. Этот простой процесс позволил обеспечивать недорогое массовое изготовление однослойных просветляющих оптических покрытий и тем самым обеспечить просветление объективов, которые применялись в фотографии, кинемотографии, телескопах, микроскопах и других приборах. Эти простейшие покрытия были дёшевы, уменьшение отражения было локальным только в узкой области спектра. Однослойные просветления не позволяли добиться малого отражения в широкой области спектра. Некоторое улучшение качества фотографий сделанных просветленными объективами достигалось за счет того, что уменьшалось рассеивание отраженного линзами света внутри корпуса объектива, поэтому происходила меньшая засветка пленки этим рассеяным светом, что увеличивало контрастность снимка. С появлением цветной фотографии, от просветляющего покрытия потребовалось уменьшить отражения от поверхности всех линз уже во всем видимом диапазоне света, чтобы обеспечить правильную цветопередачу. Просветляющие покрытия относятся к классу интерференционных покрытий, куда входят также интерференционные зеркала и фильтры.
При падении электромагнитного излучения на поверхность раздела двух сред, наблюдается отраженное излучение и излучение прошедшее во вторую среду. Отражение возникает вследствие различной оптической плотности сред. Оптическая плотность среды характеризуется показателем преломления n. Показатель преломления является для прозрачных сред положительным числом большим 1. Можно считать, что показатель преломления воздуха приблизительно равен 1. Когда же воздух сжимается, то показатель преломления его несколько увеличивается. Это следует из того наблюдаемого факта, что ударная волна (её фронт) от ядерного взрыва видна визуально.При распостранении света в более плотной чем воздух среде(n≥1) скорость света V (фазовая) уменьшается (v=c/n), где с скорость света в вакууме. Приблизительно С=300000тыс.км/сек.
При нормальном (перпендикулярном к поверхности) падении луча на границу двух сред коэффициент отражения R определяется формулой Френеля R=(n0-n2)²/(n0+n2)² Где n0- показатель преломления первой среды, n2 - показатель преломления второй среды.
Если первая среда воздух ( n0=1), а вторая среда стекло ( n2 = 1.52 ), то по формуле вычисляем для стекла - R=4,2% . С двух сторон стекла отражается примерно 8,4%.
Это казалось бы немного, но для объективов фото, видеокамер и многих оптических приборов, в которых объективы используются это оказывается неприемлемым. В объективе содержится от 3 до 10 линз, на каждой из которых возникают отражения. При большом количестве линз из за отражений на каждой поверхности потери света в приборе могут стать недопустимо большими- больше 50%. Во вторых не менее важно, что при отражении на внутренних поверхностях линз в объективе свет рассеивается внутри самого объектива, что приводит к уменьшению контраста и четкости изображения. Для уменьшения влияния этого явления используются антиотражающие или, как принято говорить по русски, просветляющие оптические покрытия. В настоящее время использование просветляющих опптических покрытий стало обязательным элементом технологии производства оптических приборов.Добиться уменьшения отражения от границы раздела можно поместив на эту границу прозрачную пленку. Почему же происходит уменьшение отражения при нанесении пленки на стекло? Объяснение заключается в том, что электромагнитная волна отразившаяся от пленки складывается с той же волной прошедшей в пленку и отразившейся от поверхности пленка-стекло. Этот эффект сложения называется интерференцией. Если эти две волны окажутся в противофазе и имеют одинаковую амплитуду, то они погасятся. Т.е не будет проявляться отраженная волна от поверхности. Вся энергия световой волны будет без потерь уходить в стекло.Чтобы амплитуды указанных световых волн были одинаковыми нужно подобрать такую наносимую пленку, чтобы её показатель преломления удовлетворял некоторому условию. А именно был равен среднему геометрическому показателей преломления среды (воздуха) и подложки(стекла), что легко понять из уравнения Френеля.Чтобы волны были в противофазе, оптическая толщина пленки должна составлять четверть длины волны, для которой мы желаем уничтожить отражение.
Таким образом просветление одной пленкой происходит не для всего видимого диапазона, а только для узкой области спектра.Когда мы говорим о сложении волн и гашении отраженного луча, надо понимать, что потерь энергии здесь нет, просто законы электродинамики говорят о невозможности отражения излучения в данных условиях. Это виртуальное гашение без потерь энергии. Энергия не отражаясь, вся уходит в материал(подложку). Если подложка не прозрачная, а поглощающая, то вся энергия поглотится в ней. Это важно в случаях, если подложка является фотоприемником. Например, если это солнечный элемент, то желательно, чтобы вся падающая энергия на него поглотилась, а не отразилась. При этом увеличится выход электроэнергии, т.е. возрастет КПД элементаДля расчетов оптических покрытий важна так называемая оптическая толщина пленки - n х d, где d - это геометрическая толщина. Если разные пленки имеют одинаковые оптические толщины, то это значит, что свет проходит сквозь них за одинаковое время. В этом смысл понятия оптической толщины.
Просветляющие оптические покрытия позволяют уменьшать отражение электромагнитных волн оптического и инфракрасного диапазона от границы раздела двух сред. Но не только. Технология Стелс, это тоже просветление, но уже по отношению к более длинноволновому излучению радаров. Ведь там устраняется отраженное излучение. Всё излучение проходит через первую поверхность покрытия и поглощается то ли в самом покрытии, то ли в материале обшивки. Важно, что излучение не отражается и следовательно такой самолет для радара невидим или почти невидим.
Частоту электромагнитных волн можно задавать в герцах. Но в оптике принято пользоваться обратнопропорциональной величиной - длиной волны. Всё воспринимаемое глазом излучение укладывается в диапазон 400-750Нм. и далее до 2000Нм это ближнее инфракрасное невидимое глазом излучение.
Однослойное просветление
Пусть на поверхность стекла нанесена пленка с показателем преломления n1, тогда отражение от всей системы получим, складывая отражение от границы воздух-пленка + граница пленка-стекло. Это сложение оправдано тем, что сами волны интерферируют(складываются). Интерференция возможна в данном случае потому, что волны отразившиеся от первой поверхности пленки и от второй являются когерентными. Результат сложения будет зависеть от оптической толщины пленки. ( n1 х d1), и всех показателей преломления. Формула довольно громоздкая, но расчеты по ней проведены для трех веществ пленочного материала с различными показателями преломления. Оптическая толщина всех пленок одинаковая.Рис1
Результаты расчета спектра отражения трех разных пленок нанесенных на поверхность стекла(n=1.51). Оптические толщины у пленок одинаковые равные λ/4Спектральная характеристика приведена в относительных единицах.Для вещества с показателем преломления n1=1.23 при оптической толщине λ/4 отражение равно 0, как видно из рисунка. Если нужно получить нулевое отражение для излучения 550Нм(зеленый свет), то толщина пленки должна быть 1,23 х d=550/4. Получаем d=112Нм. Для других длин волн излучения отражение будет больше, но нигде не превысит отражения чистого стекла. (Пунктирная горизонтальная линия).
Если же нанести пленку с показателем большим чем у стекла, то вместо уменьшения получим увеличение отражения. Максимумы будут приходиться на толщины кратные λ/4. Излучение же с полуволновой длиной как бы не почувствует наличия пленки на поверхности стекла.
Отражение под углами будет существенно отличаться от отражения при нормальном падении. Во первых эффективные толщины слоев изменяются и во вторых при больших углах падения сказывается поляризация света. Неполяризованый изначально свет при отражении под некоторым углом становится немного поляризованным. Для разных компонентов поляризации отражение на границе будет различным. Оно определяется формулой Френеля, но уже в полном виде, а не в виде приведенном выше, справедливом только для нормального падения.
Рис2
Не существует веществ с показателем преломления 1, 23. Наиболее близкими к этому значению подходят вещества криолит(n=1,34) и фтористый магний(n=1,38). Пленка магния дает минимальное отражение 1, 33%.
Поэтому невозможно добиться нулевого отражения даже локального с помощью однослойного покрытия с реально существующими плёночными материалами.
Коэффициент отражения зависит и от угла падения. Впрочем, для небольших углов, как видно из рисунка, несильно. Хотя однослойное просветление уменьшает отражение во всей видимой области, но недостаточно. И нигде реальная пленка не уменьшает отражение до 0, что в некоторых случаях необходимо(лазерная техника). Оптические толщины всех пленок на рисунке 500/4=125Нм. Если пленки сделать толще, то вся картина сдвинется вправо в длинноволновый участок спектра.
Двухслойное просветление
Несколько большие возможности дают двухслойные просветления, особенно при просветлении веществ с большими показателями преломления типа германия.(n=4). Однако на стекле возможности двухслойного просветление не впечатляют. Существует только две конструкции, которые используются на практике. Слои нумеруются от воздуха к подложке.
Рис3
Здесь два четвертьволновых слоя с различающимися показателями преломления. Покрытие согласовано для волн 500Нм(зеленый свет). Для этой волны отражение удалось снизить до 0.
Двухслойное просветление описанной конструкции с реальными пленочными материалами позволяет обеспечить нулевое отражение для заданной длины волны т.е. для монохроматического излучения (лазерное излучение).
Для отличающихся частот отражение быстро возрастает. Это значит, для монохроматического излучения это покрытие хорошо справляется с задачей, а для широкополосного сигнала оно уже малопригодно. Это относится к просветлению линз для объективов. Там требуется просветлить линзы для всего видимого диапазона. Показатели преломления подложки и слоев должны быть связаны определённым соотношением, чтобы получить полное просветление хотя бы в одной точке спектра. Именно такая связь и присутствует в конструкции покрытия приведенной на данном рисунке. Оптические толщины всех пленок 500/4=125Нм
А вот вторая схема двухслойного просветления на стекле. Она перекрывает весь почти оптический диапазон, правда остаточное отражение в области 500Нм остается на уровне 1,8%. Оптическая толщина нижнего слоя в два раза больше, чем верхнего.
рис 4
Здесь показаны спектры отражения 4 вариантов одной и тойже конструкции состоящей из полуволнового и четвертьволнового слоев.Нижний полуволновый слой у которого показатель преломления меняется от варианта к варианту в диапазоне 1.6-2.4 .На графиках видны два минимума с обеих сторон от точки 500Нм, для которой это покрытие согласовано. Видно, что при возрастании показателя преломления нижнего слоя два минимума на спектральной характеристике сближаются и при больших значениях теоретически сливаются в один. Ни при каком значении показателя преломления нижнего слоя спектральную характеристику отражения этого двухслойного просветления нельзя признать удачной, если иметь в виду достаточно широкополосное просветление. Описанные конструкции двухслойного просветления на стекле являются исчерпывающими. Никаких патентованых тайн быть не может. Патенты могут относиться только либо к пленочному веществу либо к технологии его напыления и контроля толщины в процессе напыления.Остаточное отражение двухслойного покрытия в зоне просветления слишком велико, чтобы его можно было рассматривать как широкополосное (ахроматическое) просветление. Что касается верхнего слоя, то он обязан всегда иметь минимальный показатель преломления, т.е. из набора доступных веществ это фтористый магний с n=1.38. Оптические толщины всех пленок 500/4=125Нм
Трехслойные просветленияУ просветляющего покрытия из трех слоев уже достаточно параметров, которые можно менять для того, чтобы получить достаточно качественные просветления во всей видимой области. Причем конструкции покрытий устойчивы к ошибкам- небольшим вариациям показателей преломления и толщин возникающих или в процессе изготовления или просто из за отсутствия веществ с подходящими показателями преломления. Ошибки не сильно влияют на спектральную характеристику отражения трехслойных просветляющих оптических покрытий.
Аналитически трехслойники анализировать трудно, да и зачем, когда есть компьютеры. Ниже приведены спектральные характеристики 3 различных конструкций.
Рис5
На рисунке представлены 3 конструкции ахроматического трехслойного просветления, которые могут быть реализованы методом напыления в вакууме с имеющимися пленочными веществами.Покрытия согласованы для излучения с длиной волны 500НМ. По отношению к этой волне приведена толщина слоев в относительных еденицах.Конструкция 1, из трех четвертьволновых слоев несколько узковата- режет красные цвета.Конструкции 2 и 3 имеют больший просветляющий диапазон. Если их немного сдвинуть в красную область, то будет совсем хорошо. Фиолетом можно немного пожертвовать. Для этого сдвига просто слои должны быть чуть потолще. Оптические толщины всех пленок кратны 500/4=125Нм.В первой конструкции все слои равнотолщинны. Во второй конструкции средняя пленка вдвое толще чем обрамляющие. В третьем конструкции нижняя пленка имеет тройную толщину - ( 125 х 3)Нм.
Некоторые пытаются по цвету определить качество просветления. Но это в общем невозможно. Цвет просветления определяется остаточным отражением на границе зоны просветления. А как там просветлено в рабочей зоне не видно. Слишком много тут тонкостей, чтобы судить по виду.Спектральные зависимости коэффициента отражения интерференционных покрытий экспериментально получают с помощью спектрофотометра.
Толщины пленок в ходе напыления контролируют или оптическим методом на контрольной пластине, где контролируется непосредственно оптическая толщина, или с помощью кварцевого датчика контролирующего массу пленки, которая связана с её толщиной.ЛитератураФизика тонких пленок, т2, "МИР", Москва, 1967.
domovoi111.livejournal.com
Презентация на тему: концентрических окружностей.
В отраженном свете оптическая разность хода (с учетом потери полуволны при отражении), согласно (6.1.1), при условии, что показатель преломления воздуха n = 1, ai = 0,
где d — ширина зазора. Из рис. 6.5 следует, чтоR2 =(R -d)2 +r2, гдеR — радиус кривизны линзы,r — радиус кривизны окружности, всем точкам которой соответствует одинаковый зазорd. Учитывая, чтоd мало, получимd = r2/(2R). Следовательно,
(6.4.1)
Приравняв (6.4.1) к условиям максимума (6.1.2) и минимума (6.1.3), получим выражения для радиуса т-госветлого кольца:
(6.4.2)
и радиуса т-готемного кольца:
(6.4.3)
Измеряя радиусы соответствующих колец, можно (зная радиус кривизны линзы R) определитьλ0 и, наоборот, по известнойλ0 найти
радиус кривизны линзы R.
Как для полос равного наклона, так и для полос равной толщины, положение максимумов зависит от длины волны λ0 (см. (6.1.2).
Поэтому система светлых и темных полос получается только при освещении монохроматическим светом. При наблюдении в белом свете получается совокупность смещенных друг относительно друга полос, образованных лучами разных длин волн, и интерференционная картина приобретает радужную окраску. Все рассуждения были проведены для отраженного света. Интерференцию можно наблюдать и в проходящем свете, причем в данном случае не наблюдается потери полуволны..Следовательно, оптическая разность хода для проходящего и отраженного света отличается на λ0/2, т. е.максимумам интерференции в отраженном
свете соответствуют минимумы в проходящем и наоборот.
Рис. 6.6
6.5. Применение интерференции света.
Явление интерференции обусловлено волновой природой света; его количественные закономерности зависят от длины волны λ0. Поэтому это явление применяется для
доказательства волновой природы света и для измерения длин волн (интерференционная спектроскопия).
Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высокоотражающих покрытий. Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы, например через границу стекло — воздух, сопровождается отражением 4 % падающего
потока (при показателе преломления стекла 1,5). Так как
современные объективы содержат большое количество линз, то число отражений в них велико, а поэтому велики
и потери светового потока. Таким образом, интенсивность прошедшего света ослабляется и светосила оптического прибора уменьшается. Кроме того, отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов, что часто (например, в военной технике) демаскирует положение прибора.
Для устранения указанных недостатков осуществляют так называемое «просветление оптики». Для этого на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показателем преломления меньшим, чем у материала линзы. При отражении света от границ раздела воздух — пленка и пленка — стекло возникает интерференция когерентных лучей 1’ и2' (рис. 6.7). Толщину пленкиd
и показатели преломления стекла пс и пленкип можно подобрать так, чтобы интерферирующие лучи гасили друг
друга. Для этого их амплитуды должны быть равны, а оптическая разность хода – равна
Расчет показывает, что амплитуды отраженных лучей равны, если
Так как пс, п и показатель преломления воздухап0 удовлетворяют условиямпс > п > п0, то потеря полуволны
происходит на обеих поверхностях; следовательно, условие минимума (предполагаем, что свет падает нормально, т. е. i = 0)
где nd — оптическая толщина пленки. Обычно принимают т = 0, тогда
Таким образом, если выполняется условие (6.5.1) и оптическая толщина пленки равна λ0/4, то в результате интерференции
наблюдается гашение отраженных лучей. Так как добиться одноврменного гашения для всех длин волн невозможно, то это обычно делается для наиболее восприимчивой глазом длины волны λ0 0,55 мкм. Поэтому объективы с просветленной оптикой
кажутся голубыми.
Создание высокоотражающих покрытий стало возможным лишь на основе многолучевой интерференции, возникающей в многослойной системе чередующихся пленок с разными показателями преломления (но одинаковой оптической толщиной,
равной λ0/4), нанесенной на отражающую поверхность (рис. 6.8).
Можно показать, что на границе раздела пленок (между двумя слоями ZnS с большим показателем преломления пх находится
пленка криолита с малым показателем преломления n )
возникает большое2 число отраженных интерферирующих Рис. 6.8 лучей, которые при оптической толщине пленокλ0/4 будут
взаимно усиливаться, т. е. коэффициент отражения возрастает. Характерной особенностью такой высокоотражательной системы является то, что она действует в очень узкой спектральной области, причем чем больше
коэффициент отражения, тем уже эта область. Например, система из семи пленок для области 0,5 мкм дает коэффициент отражения р
96 % (при коэффициенте пропускания 3,5 % и коэффициенте
поглощения < 0,5 %). Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференционных светофильтров высокой монохроматичности.
Явление интерференции также применяется в очень точных измерительных приборах, называемых интерферометрами. Все интерферометры основаны на одном и том же принципе и различаются лишь конструктивно. На рис. 6.9 представлена упрощенная схема интерферометра Майкельсона*. Монохроматический свет от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную пластинкуP1. Сторона пластинки, удаленная
от S, посеребренная и полупрозрачная, разделяет луч на две части: луч1 (отражается от посеребренного слоя) и луч2 (проходит через него). Луч1 отражается от зеркалаЗ1, и, возвращаясь обратно, вновь
проходит через пластинку P1(луч1‘). Луч2 идет к зеркалуЗ2, отражается от него, возвращается обратно и отражается от
пластинки P1 (луч2'). Так как первый из лучей проходит пластинкуP1 дважды, то для компенсации возникающей разности хода на пути второго луча ставится пластинкаР2 (точно такая же, как иР1 только не покрытая слоем серебра).
studfiles.net
|
ТОП 10: |
В природе часто можно наблюдать радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленка на металлах), возникающее в результате интерференции света, отраженного двумя поверхностями пленки. Пусть на плоскопараллельную прозрачную пленку с показателем преломления п и толщиной d под углом i (рис. 249) падает плоская монохроматическая волна (для простоты рассмотрим один луч). На поверхности пленки в точке О луч разделится на два: частично отразится от верхней поверхности пленки, а частично преломится. Преломленный луч, дойдя до точки С, частично преломится в воздух (п0=1), а частично отразится и пойдет к точке В. Здесь он опять частично отразится (этот ход луча в дальнейшем из-за малой интенсивности не рассматриваем) и преломится, выходя в воздух под углом i. Вышедшие из пленки лучи 1 и 2 когерентны, если оптическая разность их хода мала по сравнению с длиной когерентности падающей волны. Если на их пути поставить собирающую линзу, то они сойдутся в одной из точек Р фокальной плоскости линзы. В результате возникает интерференционная картина, которая определяется оптической разностью хода между интерферирующими лучами. Оптическая разность хода, возникающая между двумя интерферирующими лучами от точки О до плоскости АВ, где показатель преломления окружающей пленку среды принят равным 1, а член ± l0/2 обусловлен потерей полуволны при отражении света от границы раздела. Если п>n0, то потеря полуволны произойдет в точке О и вышеупомянутый член будет иметь знак минус; если же п<n0, то потеря полуволны произойдет в точке С и l0/2 будет иметь знак плюс. Согласно рис. 249, OC=CB=d/cosr, OA = OB sin i = 2d tg r sin i. Учитывая для данного случая закон преломления sin i = n sin r, получим С учетом потери полуволны для оптической разности хода получим (174.1) Для случая, изображенного на рис. 249 (п>n0), В точке Р будет интерференционный максимум, если (см. (172.2)) (174.2) и минимум, если (см. (172.3)) (174.3) Интерференция, как известно, наблюдается, только если удвоенная толщина пластинки меньше длины когерентности падающей волны. 1. Полосы равного наклона (интерференция от плоскопараллельной пластинки). Из выражений (174.2) и (174.3) следует, что интерференционная картина в плоскопараллельных пластинках (пленках) определяется величинами l0, d, п и i. Для данных l0, d, и n каждому наклону i лучей соответствует своя интерференционная полоса. Интерференционные полосы, возникающие в результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами, называютсяполосами равного наклона. Лучи 1' и 1", отразившиеся от верхней и нижней граней пластинки (рис. 250), параллельны друг другу, так как пластинка плоскопараллельна. Следовательно, интерферирующие лучи 1' и 1" «пересекаются» только в бесконечности, поэтому говорят, что полосы равного наклона локализованы в бесконечности. Для их наблюдения используют собирающую линзу и экран (Э), расположенный в фокальной плоскости линзы. Параллельные лучи 1' и 1" соберутся в фокусе Fлинзы (на рис. 250 ее оптическая ось параллельна лучам 1' и 1"), в эту же точку придут и другие лучи (на рис. 250 – луч 2), параллельные лучу 1, в результате чего увеличивается общая интенсивность. Лучи 3, наклоненные под другим углом, соберутся в другой точке Р фокальной плоскости линзы. Легко показать, что если оптическая ось линзы перпендикулярна поверхности пластинки, то полосы равного наклона будут иметь вид концентрических колец с центром в фокусе линзы.
50.Полосы равной толщины (интерференция от пластинки переменной толщины).Пусть на клин (угол a между боковыми гранями мал) падает плоская волна, направление распространения которой совпадает с параллельными лучами 1 и 2 (рис. 251). Из всех лучей, на которые разделяется падающий луч 1,рассмотрим лучи 1' и 1", отразившиеся от верхней и нижней поверхностей клина. При определенном взаимном положении клина и линзы лучи 1' и 1"пересекутся в некоторой точке А, являющейся изображением точки В. Так как лучи 1' и 1" когерентны, они будут интерферировать. Если источник расположен довольно далеко от поверхности клина и угол a ничтожно мал, то оптическая разность хода между интерферирующими лучами 1' и 1" может быть с достаточной степенью точности вычислена по формуле (174.1), где d — толщина клина в месте падения на него луча. Лучи 2' и 2", образовавшиеся при делении луча 2, падающего в другую точку клина, собираются линзой в точке А'. Оптическая разность хода уже определяется толщиной d'. Таким образом, на экране возникает система интерференционных полос. Каждая из полос возникает при отражении от мест пластинки, имеющих одинаковую толщину (в общем случае толщина пластинки может изменяться произвольно). Интерференционные полосы, возникающие в результате интерференции от мест одинаковой толщины, называются полосами равной толщины. Так как верхняя и нижняя грани клина не параллельны между собой, то лучи 1' и 1" (2' и 2") пересекаются вблизи пластинки, в изображенном на рис. 251 случае — над ней (при другой конфигурации клина они могут пересекаться и под пластинкой). Таким образом, полосы равной толщины локализованы вблизи поверхности клина. Если свет падает на пластинку нормально, то полосы равной толщины локализуются на верхней поверхности клина. 3. Кольца Ньютона. Кольца Ньютона, являющиеся классическим примером полос равной толщины, наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны (рис. 252). Параллельный пучок света падает нормально на плоскую поверхность линзы и частично отражается от верхней и нижней поверхностей воздушного зазора между линзой и пластинкой. При наложении отраженных лучей возникают полосы равной толщины, при нормальном падения света имеющие вид концентрических окружностей. В отраженном свете оптическая разность хода (с учетом потери полуволны при отражении), согласно (174.1), при условии, что показатель преломления воздуха n=1, а i=0, где d—ширина зазора. Из рис. 252 следует, что , где R—радиус кривизны линзы, r — радиус кривизны окружности, всем точкам которой соответствует одинаковый зазор d. Учитывая, что d мало, получим d=r2/(2R). Следовательно, (174.4) Приравняв (174.4) к условиям максимума (172.2) и минимума (172.3), получим выражения для радиусов m-го светлого кольца и m-го темного кольца соответственно Измеряя радиусы соответствующих колец, можно (зная радиус кривизны линзы R) определить l0 и, наоборот, по известной l0 найти радиус кривизны Rлинзы. Как для полос равного наклона, так и для полос равной толщины положение максимумов зависит от длины волны l0 (см. (174.2)). Поэтому система светлых и темных полос получается только при освещении монохроматическим светом. При наблюдении в белом свете получается совокупность смещенных друг относительно друга полос, образованных лучами разных длин волн, и интерференционная картина приобретает радужную окраску. Все рассуждения были проведены для отраженного света. Интерференцию можно наблюдать и в проходящем свете, причем в данном случае не наблюдается потери полуволны. Следовательно, оптическая разность хода для проходящего и отраженного света отличается на l0/2, т.е. максимумам интерференции в отраженном свете соответствуют минимумы в проходящем, и наоборот. 51. Применение интерференции света Явление интерференции обусловлено волновой природой света; его количественные закономерности зависят от длины волны l0. Поэтому это явление применяется для подтверждения волновой природы света и для измерения длин волн(интерференционная спектроскопия). Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высокоотражающих покрытий. Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы, например через границу стекло–воздух, сопровождается отражением »4% падающего потока (при показателе преломления стекла »1,5). Так как современные объективы содержат большое количество линз, то число отражений в них велико, а поэтому велики и потери светового потока. Таким образом, интенсивность прошедшего света ослабляется и светосила оптического прибора уменьшается. Кроме того, отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов, что часто (например, в военной технике) демаскирует положение прибора. Для устранения указанных недостатков осуществляют так называемое просветление оптики. Для этого на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показателем преломления, меньшим, чем у материала линзы. При отражении света от границ раздела воздух–пленка и пленка–стекло возникает интерференция когерентных лучей 1' и 2' (рис. 253). Толщину пленки d и показатели преломления стекла nс и пленки n можно подобрать так, чтобы волны, отраженные от обеих поверхностей пленки, гасили друг друга. Для этого их амплитуды должны быть равны, а оптическая разность хода равна (см. (172.3)). Расчет показывает, что амплитуды отраженных лучей равны, если (175.1) Так как nс, n и показатель преломления воздуха n0 удовлетворяют условиям nс >n>n0, то потеря полуволны происходит на обеих поверхностях; следовательно, условие минимума (предполагаем, что свет падает нормально, т. е. i=0) где nd —оптическая толщина пленки. Обычно принимают m=0, тогда Таким образом, если выполняется условие (175.1) и оптическая толщина плевки равна l0/4, то в результате интерференции наблюдается гашение отраженных лучей. Taк как добиться одновременного гашения для всех длин воли невозможно, то это обычно делается для наиболее восприимчивой глазом длины волны l0»0,55 мкм. Поэтому объективы с просветленной оптикой имеют синевато-красный оттенок. Создание высокоотражающих покрытий стало возможным лишь на основемноголучевой интерференции. В отличие от двухлучевой интерференции, которую мы рассматривали до сих пор, многолучевая интерференция возникает при наложении большого числа когерентных световых пучков. Распределение интенсивности в интерференционной картине существенно различается; интерференционные максимумы значительно уже и ярче,чем при наложении двух когерентных световых пучков. Так, результирующая амплитуда световых колебаний одинаковой амплитуды в максимумах интенсивности, где сложение происходит в одинаковой фазе, в N раз больше, а интенсивность в N2 раз больше, чем от одного пучка (N — число интерферирующих пучков). Отметим, что для нахождения результирующей амплитуды удобно пользоваться графическим методом, используя метод вращающегося вектора амплитуды (см. § 140). Многолучевая интерференция осуществляется в дифракционной решетке (см. § 180). Многолучевую интерференцию можно осуществить в многослойной системе чередующихся пленок с разными показателями преломления (но одинаковой оптической толщиной, равной l0/4), нанесенных на отражающую поверхность (рис. 254). Можно показать, что на границе раздела пленок (между двумя слоямиZnS с большим показателем преломления п1 находится пленка криолита с меньшим показателем преломления n2) возникает большое число отраженных интерферирующих лучей, которые при оптической толщине пленок l0/4 будут взаимно усиливаться, т. е. коэффициент отражения возрастает. Характерной особенностью такой высокоотражательной системы является то, что она действует в очень узкой спектральной области, причем чем больше коэффициент отражения, тем уже эта область. Например, системаиз семипленок для области 0,5мкм дает коэффициент отражения r»96% (при коэффициенте пропускания »3,5% и коэффициенте поглощения <0,5%). Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференционных светофильтров (узкополосных оптических фильтров). Явление интерференции также применяется в очень точных измерительных приборах, называемых интерферометрами. Все интерферометры основаны на одном и том же принципе и различаются лишь конструкционно. На рис. 255 представлена упрощенная схема интерферометра Майкельсона. Монохроматический свет от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную пластинку P1. Сторона пластинки, удаленная от S, посеребренная и полупрозрачная, разделяет луч на две части: луч 1 (отражается от посеребренного слоя) в луч 2 (проходит через него). Луч 1 отражается от зеркала M1 и, возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку P1 (луч 1'). Луч 2 идет к зеркалу М2, отражается от него, возвращается обратно и отражается от пластинки Р1 (луч 2'). Так как первый из лучей проходит сквозь пластинку Р1 дважды, то для компенсации возникающей разности хода на пути второго луча ставится пластинка Р2 (точно такая же, как и Р1, только не покрытая слоем серебра).
Лучи 1' и 2' когерентны; следовательно, будет наблюдаться интерференция, результат которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зеркала М1 и луча 2 от точки О до зеркала M2. При перемещении одного из зеркал на расстояние l0/4 разность хода обоих лучей увеличится на l0/2 и произойдет смена освещенности зрительного поля. Следовательно, по незначительному смещению интерференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр Майкельсона для точного (порядка 10–7 м) измерения длин (измерения длины тел, длины волны света, изменения длины тела при изменении температуры (интерференционный дилатометр)). Российский физик В. П. Линник (1889—1984) использовал принцип действия интерферометра Майкельсона для создания микроинтерферометра(комбинация интерферометра и микроскопа), служащего для контроля чистоты обработки поверхности. Интерферометры — очень чувствительные оптические приборы, позволяющие определять незначительные изменения показателя преломления прозрачных тел (газов, жидких и твердых тел) в зависимости от давления, температуры, примесей и т. д. Такие интерферометры получили названиеинтерференционных рефрактометров. На пути интерферирующих лучей располагаются две одинаковые кюветы длиной l, одна из которых заполнена, например, газом с известным (n0), а другая — с неизвестным (nx) показателями преломления. Возникшая между интерферирующими лучами дополнительная оптическая разность хода D=(nx—n0)l . Изменение разности хода приведет к сдвигу интерференционных полос. Этот сдвиг можно характеризовать величиной где m0 показывает, на какую часть ширины интерференционной полосы сместилась интерференционная картина. Измеряя величину m0 при известных l, n0 иl, можно вычислять nx или изменение nx–n0. Например, при смещении интерференционной картины на 1/5 полосы при l=10 см и l=0,5 мкм nx–n0 = 10–6, т.е. интерференционные рефрактометры позволяют измерять изменение показателя преломления с очень высокой точностью (до 1/1 000 000). Применение интерферометров очень многообразно. Кроме перечисленного, они применяются для изучения качества изготовления оптических деталей, измерения углов, исследования быстропротекающих процессов, происходящих в воздухе, обтекающем летательные аппараты, и т. д. Применяя интерферометр, Майкельсон впервые провел сравнение международного эталона метра с длиной стандартной световой волны. С помощью интерферометров исследовалось также распространение света в движущихся телах, что привело к фундаментальным изменениям представлений о пространстве и времени. Принцип Гюйгенса - Френеля Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле — любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, т. е. звуковая волна его огибает. Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени. Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране (рис. 256). Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн (в однородной изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т. е. волна огибает края отверстия. Явление дифракции характерно для волновых процессов. Поэтому если свет является волновым процессом, то для него должна наблюдаться дифракция, т. е. световая волна, падающая на границу какого-либо непрозрачного тела, должна огибать его (проникать в область геометрической тени). Из опыта, однако, известно, что предметы, освещаемые светом, идущим от точечного источника, дают резкую тень и, следовательно, лучи не отклоняются от их прямолинейного распространения. Почему же возникает резкая тень, если свет имеет волновую природу? К сожалению, теория Гюйгенса ответить на этот вопрос не могла. Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн. Согласнопринципу Гюйгенса — Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн. Френель исключил возможность возникновения обратных вторичных волн и предположил, что если между источником и точкой наблюдения находится непрозрачный экран с отверстием, то на поверхности экрана амплитуда вторичных волн равна нулю, а в отверстии — такая же, как при отсутствии экрана. Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей волны в любой точке пространства, т. е. определить закономерности распространения света. В общем случае расчет интерференции вторичных волн довольно сложный и громоздкий, однако, как будет показано ниже, для некоторых случаев нахождение амплитуды результирующего колебания осуществляется алгебраическим суммированием. |
infopedia.su
25.1 (а) Чем объясняется, что прозрачные пленки с оптической толщиной в четверть длины волны, нанесенные на поверхность стекла, в одних случаях увеличивают коэффициент отражения стекла, а в других случаях уменьшают его?
Для устранения отраженного света на поверхность стекла наносится тонкая пленка с показателем преломления иным, чем у стекла. Толщина пленки подбирается так, чтобы отраженные от обеих ее поверхностей лучи погашали друг друга:
25.1 (б). Что понимают под разрешающей способностью оптических приборов? Чему равна разрешающая способность дифракционной решетки?
Вследствие дифракции света в оптическом приборе изображение светящейся точки имеет вид не точки, а светлого пятна, окруженного системой концентрических интерференционных колец. Это явление ограничивает разрешающую способность оптического прибора, т.е. его способность давать раздельное изображение двух близких друг к другу точек объекта. Согласно критерию Рэлея, изображения двух одинаковых точечных источников света еще можно видеть раздельно, если центральный максимум дифракционной картины от одного источника совпадает с первым минимумом дифракционной картины от другого. В этом случае угловое расстояние 1,22/D, где D - диаметр объектива.
Разрешающая способность дифракционной решётки определяется безразмерной величиной
, где - минимальная разность длин волн спектральных составляющих источника излучения, при которых эти составляющие ещё воспринимаются раздельно. Критерий раздельного восприятия различных спектральных составляющих источника излучения был предложен Рэлеем. В соответствии с этим критерием, два дифракционных максимума воспринимаются раздельно, если середина одного максимума совпадает с краем (минимумом) другого.
Такому
взаимному расположению разрешаемых максимумов одинаковой
интенсивностей соответствует пресечение их распределений на уроне
половины от максимального значения (см. рис.).
Выражение
определяющее разрешающую способность дифракционной решётки:
Из этой формулы следует, что разрешающая способность дифракционной
решётки тем, больше, чем больше число щелей
и
чем больше порядок дифракционного максимума
,
который используется для разрешения спектральных компонент.
Физическая причина такой зависимости разрешающей способности от N
и
m
очевидна
ввиду того, что при увеличении N
сужаются дифракционные максимумы, а при увеличении m
увеличивается
угловая дисперсия дифракционной решётки, благодаря чему облегчается
раздельное восприятие разрешаемых спектральных компонент
25.1 (в). Как зависит показатель преломления для обыкновенной и необыкновенной волны от направления распространения света в оптическианизотропном одноосном кристалле?
В одноосном кристалле один из лучей о (обыкновенный луч) подчиняется обычным законам преломления. Второй луч е не лежит в плоскости падения и не подчиняется закону Снеллиуса (необыкновенный луч)
- при нормальном падении луча на поверхность пластинки угол преломления re зависит от ориентации оптической оси по отношению к поверхности пластинки;
- re равен нулю только, если ось перпендикулярна поверхности пластинки, либо параллельна поверхности.
В
двуосном кристалле оба луча ведут себя как необыкновенные. В
одноосном кристалле скорость обыкновенного луча vо
численно одинакова по
всем направлениям
,
где no
– показатель преломления для обыкновенного луча.
Скорость
необыкновенного луча численно равна
,где
nе
– показатель преломления для необыкновенного луча.
Значение nе
зависит от направления необыкновенного луча по отношению к оптической
оси кристалла.
25.1 (г). Возможно ли наблюдение интерференционных полос равного наклона в плоскопараллельной стеклянной пластине, толщиной 2 см? Если да, то при каких условиях, если нет , то почему?
koriolan404.narod.ru
