Электромагнитная природа света. Интерференция света. Лекции 12-13

Свет – самое темное место в физике
Известное убеждение
самих физиков
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

ν
λ
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора — вектора напряженности Е электрического поля
Синусоидальная (гармоническая)
электромагнитная волна.
Векторы Е, Н и v
взаимно перпендикулярны
Чуев А.С.-2020 г.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора
луч перпендикулярен
плоскости рисунка
Чуев А.С.-2020 г.

Равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е — одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов.
Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е называется естественным.
Свет , в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.
Чуев А.С.-2020 г.

Если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора Е, то имеем дело с частично поляризованным светом.
Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется линейно поляризованным
Чуев А.С.-2020 г.

Плоскость, в которой колеблется световой вектор Е, называется плоскостью колебаний (плоскость yz), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор Н – плоскостью поляризации (плоскость xz).
Чуев А.С.-2020 г.

Плоскополяризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света — света, для которого вектор Е (вектор Н) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу.
Если эллипс поляризации вырождается в прямую (при разности фаз φ, равной нулю или π), то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризованным светом, если в окружность (при Δφ = ±π/2 и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу) светом.
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.
Круговая поляризация

Интенсивность излучения.
Закон Малюса
Чуев А.С.-2020 г.
Начало конспектирования

В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки можно было поворачивать друг относительно друга на угол φ (см. рис. ).
Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2φ: I ~ cos2φ.
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Степенью поляризации называется величина
Где Imax и Imin— максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором.
Для естественного света
Imax = Imin и Р = 0,
для плоскополяризованного Imin = 0 и P = 1.
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.
Воздух-стекло, II - поляризация

Чуев А.С.-2020 г.
Воздух-стекло, T - поляризация

Стекло-воздух, II - поляризация
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.
Стекло-воздух, T - поляризация

*)
Чуев А.С.-2020 г.
Е’, Н’ – отраженный луч
E’’, Н ’’ – прошедший луч
Е, Н – падающий луч
Иродов. Волновые процессы, стр. 69
На границе двух сред имеется равенство тангенциальных составляющих векторов Е и Н:
Для нашего случая:

Используя соотношения:
можем записать:
С учетом *) получим:
Чуев А.С.-2020 г.
Для отраженного Е’ и прошедшего E’’ лучей:
и
вытекающие из

Чуев А.С.-2020 г.

Коэффициенты отражения и пропускания
Коэффициент отражения:
Коэффициент пропускания:
Чуев А.С.-2020 г.

Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков
Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления. При угле падения iв (угол Брюстера), определяемого отношением tg ib= n21
(n21 — показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения) .
Преломленный же луч при угле падения iв поляризуется максимально, но не полностью.
Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны
Чуев А.С.-2020 г.

tgib = sin ib /cos ib, n21 = sin ib /sin i2
( i2 — угол преломления),
откуда cos ib = sini2.
Следовательно, ib+i2 = π/2, но i'b= ib (закон отражения), поэтому ib + i2 = π /2.
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Интерференция электромагнитных волн
Чуев А.С.-2020 г.

Когерентность волн
Для когерентных волн
Для некогерентных волн
Оптическая длина пути:
L = ns
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.
Расчет интерференционной картины от двух источников
- оптическая разность хода

Чуев А.С.-2020 г.
Здесь L лучше обозначить как l и обозначить угол θ

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.
При
и когерентности излучения двух источников

Чуев А.С.-2020 г.

Опыт Юнга
Солнечный свет
Чуев А.С.-2020 г.

Опыт Юнга
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Зеркала Френеля
Чуев А.С.-2020 г.

Бипризма Френеля
Чуев А.С.-2020 г.

Пространственно- временная когерентность
Время когерентности:
Длина когерентности:
Ширина когерентности:
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Влияние времени когерентности
Чуев А.С.-2020 г.

Влияние длины когерентности
Чуев А.С.-2020 г.

Полосы исчезнут там, где:
а так, как:
Чуев А.С.-2020 г.
То
Повтор

Влияние ширины когерентности
Чуев А.С.-2020 г.
Источники S1 и S2 становятся некогерентными при
где d – расстояние между щелями.
Интерференция исчезает при ширине щели
Ширина щели
Тогда:

Чуев А.С.-2020 г.
Звездный интерферометр

Общие выводы: интерференционная картина устойчива если
На практике:
Чуев А.С.-2020 г.

Конец лекции 12
Чуев А.С.-2020 г.

Лекция 13
Чуев А.С.-2020 г.
1. Интерференция света в тонких пленках.
2. Интерференционные полосы равной толщины и равного наклона.
3. Применение интерференции.

Разложение белого света треугольной призмой
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Полосы равного наклона
С учетом:
Чуев А.С.-2020 г.
Δ = АВ + ВС - АD;

С учетом потери верхним лучом полволны при отражении света от оптически более плотной среды, оптическая разность хода составит:
Интерференционный максимум будет наблюдаться при:
Интерференционный минимум будет наблюдаться при:
Чуев А.С.-2020 г.

С учетом формулу
можно преобразовать, представив в виде:
Название полосы равного наклона – т.к. интерференционные полосы создаются плоскими волнами, падающими на пластину под одним углом
Для интерференции:
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.
Повтор
вывода

Чуев А.С.-2020 г.
Будет рассмотрен отдельно

Полосы равной толщины
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Полосы равной толщины
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.
Интерферометр Майкельсона
Анимация работы интерферометра Майкельсона: https://www.youtube.com/watch?v=UA1qG7Fjc2A

Кольца Ньютона
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Кольца Ньютона
Условие для темных колец:
b
Чуев А.С.-2020 г.

Задача из Иродова: Волновые процессы. Осн. законы
Чуев А.С.-2020 г.

Задача из Иродова. Определить радиус линзы, если известны радиусы колец
Чуев А.С.-2020 г.

Оптическая разность хода лучей:
Условие без зазора:
Для темных колец:
Радиус колец при зазоре :
Отсюда:
Влияние зазора на радиус колец
Чуев А.С.-2020 г.

Уменьшение и повышение отражающей способности
Чуев А.С.-2020 г.
Видео по интерференции https://www.youtube.com/watch?v=UprbjvIAfqg

Многолучевая интерферометрия. Интерферометр Фабри-Перо
Максимумы при:
Чуев А.С.-2020 г.

Угловая дисперсия интерферометра Ф-П:
Из
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.
То есть, мы хорошо различаем волны только в очень узком диапазоне.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.
Подробнее об интерферометре Фабри-Перо: https://www.youtube.com/watch?v=1pPRrjVu8Xc
https://www.youtube.com/watch?v=FwIlG5OFxrY

Интерферометр Маха-Цандера
https://www.youtube.com/watch?v=YEf6suQgEfw
Чуев А.С.-2020 г.

Чуев А.С.-2020 г.
Принцип Ферма