додати матеріал


Інтерференція і дифракція

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Дифракція світла. При внесенні тіла в заданий електромагнітне поле заряджені частинки починають робити вимушені коливання, випромінювання від яких вносить спотворення в початкове розподіл світла. У разі тіл, розміри яких великі порівняно з довжиною хвилі, ці процеси добре описуються мовою геометричної оптики (як відображення, заломлення і поглинання світла). В іншому випадку прийнято говорити про явище дифракції. Суворе (у рамках хвильової теорії світла) рішення задачі про дифракцію існує лише для окремого випадку круглого однорідного тіла в полі плоскої монохроматтіческой хвилі (теорія Мі) і дається дуже громозкімі формулами. Порівняно просте наближене рішення виходить у випадку нескінченної поглинаючої поверхні (екран) з отворами заданої форми і з заданим пропусканням світла для точок, досить віддалених від них (дифракція Френеля). Метод вирішення останнього завдання був "вгаданий" Гюйгенсом, уточнено Френелем і лише згодом був суворо виведений Кирхгофом на основі хвильової теорії та рівнянь Максвелла: електромагнітне поле далеко від екрану може розраховуватися як суперпозиція сферичних хвиль, що випускаються кожної його відкритої точкою.

Відповідно до принципу Гюйгенса-Френеля плоский хвильовий фронт хвилі, що пройшов через великий отвір, залишається плоским далеко від його країв і вигинається біля кордону (рис. 18_1). Це означає, що світлові промені (безліч нормалей до фронту) біля кордонів отвори згинаються (дифрагує). При зменшенні розмірів отвору роль дифракції зростає. Отвори, розміри якого можна порівняти з довжиною хвилі, перетворює плоску хвилю в сферичну. При проходженні світла через такі отвори наближення геометричної оптики стає непридатним, засновані на її принципах оптичні прилади втрачають свою працездатність. Із-за явища дифракції принципово неможливо отримати оптичне зображення об'єкта або його деталей, розміри яких не перевищують довжини хвилі випромінювання.

Теорія Кірхгофа. В основі теорії дифракції Френеля лежить математичне тотожність, що дозволяє зв'язати значення будь-який є рішенням рівняння Д'Аламбера функції E (r) у довільній точці всередині замкнутої області з її значеннями на поверхні, що обмежує цю область (інтеграл Кірхгофа):

(1).

Правдоподбное (але не зовсім точне) припущення про те, що поле електромагнітної хвилі за непрозорим екраном дорівнює нулю, а спотворення, що вносяться перевипроміненням полем на відкритих отворах малі дозволяють отримати для поля в усіх точках за екраном вираз, яка узгоджується з принципом Гюйгенса-Френеля. На рис 18_2 приведена фотографія розподілу інтенсивності світла, дифрагованого на невеликому отворі прямокутної форми, і результат розрахунків інтенсивності за формулою (1).

Інтерференція. У граничному випадку дифракції на екрані з нескінченно-малими отворами (математично описуваними за допомогою дельта-функцій) говорять про інтерференції, яка спостерігається методом розподілу хвильового фронту. Хрістоматійним прикладом подібного роду експериментів є досвід Юнга (рис. 18_3). У залежності від різниці ходу Інтерференція і дифракція вторинні сферичні хвилі, що виникають на отворах екрана 1 і 2 при дифракції первинної сферичної хвилі від точкового монохроматичного джерела S, в точці X відбувається додавання чи електромагнітних коливань. У результаті виникає інтерференційна картинка у вигляді чергуються світлих і темних смуг. У 19 столітті вважалося, що досліди з інтерференції є незаперечним свідченням хвильової природи світла (при проходженні пучка класичних частинок через два отвори в екрані інтерференційної картини, очевидно, виникати не може).

Іншим прикладом складання коливань є інтерференція в тонких плівках (метод поділу хвильового фронту), при якій складаються електромагнітні хвилі, що відбилися від двох поверхонь (рис. 18_4). У залежності від співвідношення між товщиною плівки і довжиною хвилі випромінювання спостерігається посилення або ослаблення кольору. При висвітленні білим світлом (суміш з різними довжинами хвиль) виникає залежить від товщини кольорова забарвлення плівки (наприклад, райдужні розлучення на плямі нафти у воді). Описаний спосіб забарвлення використовується в природі: строкате забарвлення крил метеликів обумовлена ​​не наявністю фарбувального пігменту, а інтерференцією світла в тонких прозорих чашуйках крил. У техніці інтерференційні покриття використовуються для створення дзеркал з високим коефіцієнтом відбиття ("діелектричні дзеркала") і для прояснення оптики (гасіння хвиль, відбитих від численних поверхонь лінз складних об'єктивів).

Інтерфереметріческіе вимірювання. Висока чутливість спостерігається картини розподілу інтенсивностей до різниці ходу интерферирующих пучків лежить в основі цілого класу понад точних приладів, які називаються інтерферометрами.

На рис. 18_5 зображений інтерферометр Майкельсона, використаний у вирішальних експериментах з перевірки постулату про сталість швидкості світла. У приладі порівнюються фази двох хвиль, що поширюються у взаємно перпендикулярних плечах інтерферометра. У залежності від різниці ходу спостерігається посилення або ослаблення світла на виході приладу. Цей прилад може використовуватися для пріцезіонних вимірювання довжини: при переміщенні дзеркала вздовж вимірюваного об'єкта підрахунок "миготінь" інтерференційної картини дозволяє визначити довжину пройденого шляху з точністю до чверті довжини хвилі джерела світла (близько 100 нм). Іншим "вражаючим" застосуванням інтерферометра є вимірювання над-малих швидкостей руху (кілька сантиметрів у рік): сповзання льодовиків, дрейф материків і т.д.

Оскільки час поширення світла у плечах інтерферометра залежить не тільки від їх довжин, але і від показника заломлення прозорого середовища, за допомогою інтерференції можна робити точний аналіз наявності малих хімічних домішок в речовині, що викликають ізменєїе показника заломлення.

Голографія знайшла застосування не тільки у виробництві ізопродукціі, але і в сучасній науці і техніці. На відміну від фотографії, на якій здійснюється запис розподілу інтенсивності на площині зображення, що створюється на платівці методами геометричної оптики, голограма зберігає інформацію не тільки про інтенсивність складають електромагнітне поле хвиль, але й їх фазі. Це дозволяє практично повністю відновлювати електромагнітне поле, створюване голографіруемим об'єктом і викликати зорове відчуття реального об'ємного тіла. У відомому сенсі голограма аналогічна дзеркала, яке продовжує генерувати зображення після відходу який дивився в нього дівчата).

Виробництво високоякісних гологамм стало можливим після створення лазерів - потужних джерел монохроматичного випромінювання, здатних давати стійку інтерференційну картину навіть при великих різницях ходу інтерферііующіх пучків. При записі голограми (рис. 18_6) фотографується складна інтерференційна картина, що виникає при додаванні що йде безпосередньо від лазера плоскої монохроматичної хвилі ("опорної хвилі") з рассеяной об'єктом "предметної хвилі", фронти якої можуть являти собою досить складні поверхні. Зчитування виявленої голограми здійснюється за допомогою того ж лазера (рис. 18_7). У результаті дифракції опорної хвилі на складному візерунку, що виник при фотографуванні інтерференційної картини виникає дві симетричні хвилі, одна з яких практично ідентична предметної і формує уявне зображення об'єкта. Друга хвиля створює "Інвертований" зображення, яке в практичних додатках прагнуть придушити.

В даний час широке використання знайшли товсті голограми, з шаром фотоемульсії, істотно перевершує довжину хвилі записуючого випромінювання. На такий голограмі реєструється просторова структура інтерференційної картини. Така тривимірна структура пропускає через себе тільки випромінювання з довжиною хвилі, що збігається з тією, на якій записувалась голограма. Т.ч. для відновлення зображення товстої голограмою немає необхідності у висвітленні монохроматічесім джерелом: платівка сама "вибирає" їх білого світла складову, на якій вона створювалася.

Комбінація з трьох голограм, запісанниз в червоних, зелених і синіх променях створює кольорове об'ємної зображення об'єкта.

Звернення хвильового фронту і динамічна голографія. Проблема обащенія хвильового вронта (ОВФ) виникла у зв'язку з практично важливим завданням фокусування потужного лазерного випромінювання на невеликих і можливо рухомих об'єктах (передача енергії, зв'язок, "зоряні війни" тощо). Завдання ще більше ускладнюється у випадку, коли джерело випромінювання і мішень розділені товстим шаром нестаціонарної атмосфери: статистичні флуктуації щільності призводять, згідно з принципом Ферма, до викривлення променів світла (чи, точніше, до спотворення хвильового фронту) і расфокусировке пучка.

Поставлена ​​проблема могла б бути вирішена у разі створення добре відбиває світло дзеркала, поверхня якого брала б форму фронту падаючої на нього хвилі (ОВФ - дзеркала). У цьому випадку мішень можна було б опромінювати порівняно слабким джерелом світла з широкою діаграмою спрямованості випромінювання. Частина фроніта відбитої від мішені і спотвореної атмосферою хвилі може бути пропущена через оптичний підсилювач (шар речовини, що підсилює проходять через нього світлові хвилі, але не змінює жодних їхніх характеристик, крім амплітуди коливань) і спрямована на ОВФ-дзеркало (мал. 18_7), при відбитті від якого форма хвильового фронту не зміниться, а напрямок його розповсюдження зміниться на протилежне. Після ще одного посилення хвиля пройде через всі спотворюють неоднорідності атмосфери у зворотному напрямку (час поширення світла на відстанях порядку товщини атмосфери набагато менше характерного часу перерозподілу неоднорідностей) і повністю сфокусується на мішені.

Існує кілька підходів до створення ОВФ - дзеркала: гнучка відображає плівка, форма якої расcчітивается швидкодіючим комп'ютером; звернення хвильового фронту, що виникає внаслідок нелінійного процесу вимушеного комбінаційного розсіяння, голографічні методи ОВФ (динамічна голографія). Ідея останнього підходу очевидна з міркувань симетрії: при опроміненні тонкої голограми зчитування хвилею, спрямованої точно назустріч використаної при записі опорної, одна з двох дифрагованих хвиль буде поширюватися назустріч предметної, тобто точно в напрямку об'єкта (рис. 18_8). Проблема швидкого (в порівнянні зі швидкістю зміни атмосфери) створення голограми вирішується методами нелінійної оптики: існують речовини, практично миттєво стають прозорими під впливом виникає в максимумах інтерференційної картини випромінювання великої інтенсивності, які і використовуються в якості "фотопластинок" у динамічній голографії.

ОВФ вже зараз використовується в реально діючих експериментальних установках з керованого лазерному термоядерного синтезу, де доводиться вирішувати завдання одночасної фокусування розігріваючого випромінювання декількох понад потужних лазерів на невеликий дейтерієво мішені. З точки зору теорії рішення проблеми ОВФ представляє самостійний інтерес, оскільки являє собою приклад відновлення упорядкованого випромінювання після його спотворення на хаотичної структурі. Іноді про процес ОВФ говорять як про звернення в часі класично незворотного процесу або навіть просто про звернення часу.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
23.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Дифракція світла 2
Дифракція світла
Хвильова і геометрична оптика Дифракція
Дифракція електронів Електронний мікроскоп
Багатопроменева інтерференція
Інтерференція світла 2
Інтерференція світла
Інтерференція світла 3
Інтерференція як соціолінгвістична проблема
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru