Курсовая с практикой на тему Интерференция света

Содержание:

Введение. 3

Глава 1. Теоретические основы
интерференции света. 5

1.1. Исторические факты
появления интерференции света. 5

1.2 Корегентность и
монохроматичность световых волн. 11

1.3 Интерференция света. 14

1.4 Методы наблюдения
интерференции света. 15

2. Практическое применение
интерференции света. 18

2.1 Применение интерференции
света в технике. 18

2.2 Описание интерферометра. 26

Заключение. 33

Список использованных
источников. 35

Введение:

В
современной жизни мы сталкиваемся с явлениями, основанными на интерференции
света. Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это
интересное и красивое явление наблюдается при определенных условиях: когда два
или более световых луча пересекаются.

Интенсивность
света в области перекрытия лучей имеет характер чередующихся светлых и темных
полос, причем интенсивность в максимумах и минимумах больше, чем сумма
интенсивностей лучей.

При
использовании белого света интерференционные полосы проявляются в различных
цветах спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто:
цвет масляных пятен на асфальте, причудливые цветные узоры на крыльях некоторых
бабочек и жуков и многое другое – все это проявление интерференции света.

Применение
интерференции широко используется при измерении длины волны излучения, при
изучении тонкой структуры спектральной линии, при определении плотности,
показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, при измерении углов,
линейных размеров деталей в длинах волн света, при контроле качества оптических
систем и многое другое.

Для
достижения цели были поставлены следующие
задачи:

1.
Определить понятие интерференции света.

2.
Изучить исторические факты появления интерференции света.

3.
Изучить корегентность и
монохроматичность световых волн.

4.
Изучить методы наблюдения.

5.
Изучить применение интерференции света в технике.

6.
Изучить устройство и принцип работы интерферометра.

Структура и объём работы: курсовая работа состоит из введения,
двух глав, заключения, списка литературы из 11 наименований.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы
цель и задачи курсовой работы.

В первой главе раскрыто понятие интерференции света. Описаны
исторические факты появления интерференции света. Описана корегентность и монохроматичность световых волн,
методы наблюдения. Также изучены области применения интерференции света.

Во второй главе описано практическое применение
интерференции света в технике. Описано устройство интерферометра и принцип его
работы, области применения.

В заключении формулируются выводы по всей проделанной работе.

Заключение:

В современной жизни мы сталкиваемся с явлениями, основанными
на интерференции света. Интерференция – одно из ярких проявлений волновой
природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при определенных
условиях: когда два или более световых луча пересекаются. Интенсивность света в
области перекрытия лучей имеет характер чередующихся светлых и темных полос,
причем интенсивность в максимумах и минимумах больше, чем сумма интенсивностей
лучей.

Применение
интерференции широко используется при измерении длины волны излучения, при
изучении тонкой структуры спектральной линии, при определении плотности,
показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, при измерении углов,
линейных размеров деталей в длинах волн света, при контроле качества оптических
систем и многое другое.

Открыл его в конце 18 века английский ученый Томас Юнг. Он занимался оптическими
исследованиями. Ему удалось объяснить это с точки зрения волновой теории света.
Тогда впервые ввел термин "интерференция".

Экспериментально человек
может легче всего наблюдать явление интерференции электромагнитных волн в
оптическом диапазоне длин волн.

Интерференция – это сложение
колебаний или волн, при котором измеренная интенсивность суммарного колебания
или суммарной волны не равна сумме измеренных интенсивностей добавленных
колебаний или волн.

Интерференцию света
можно объяснить, рассмотрев интерференцию волн. Необходимым условием
интерференции волн является их когерентность, т.е. согласованное во времени и
пространстве протекание нескольких колебательных или волновых процессов.

Этому условию удовлетворяют
монохроматические волны – пространственно несвязанные волны с определенной и
строго постоянной частотой.

Поскольку ни один
реальный источник не производит строго монохроматический свет, волны,
излучаемые независимыми источниками света, всегда не когерентны.

Чтобы реализовать интерференцию
света, необходимо получить когерентные световые пучки, для чего используются
различные техники. До появления лазеров, которые испускают "естественно
когерентное" и очень сильное излучение, во всех приборах для наблюдения за
интерференцией света когерентные пучки получали путем разделения и последующего
сближения световых лучей, исходящих из одного источника.

Практически это можно реализовать с помощью экранов и щелей,
зеркал и преломляющих призм.

Явление интерференции волн находит разнообразное применение.
Интерференция света используется в спектральном анализе, для точного измерения
расстояний и углов, в задачах контроля качества поверхности, для создания
светофильтров, зеркал, просветляющих покрытий. На явлении интерференции
основана голография.

Явлением интерференции света в природных условиях
объясняется цветная окраска тонких пленок нефти и масла на поверхности воды или
на асфальте, цветная окраска крыльев некоторых насекомых, например стрекоз,
мотыльков и т. д. Заметим, что различные цвета пленок в этих случаях
объясняются различием в их толщине. Явление применяется в интерферометре. 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. Таким
образом можно сделать вывод, что применение интерферометров очень многообразно.
Они применяются для определения величины показателя преломления новых
материалов, если толщина пленки известна, или для измерения толщины пленки с
известной величиной показателя преломления.

Фрагмент текста работы:

1.2 Корегентность и
монохроматичность световых волн Интерференцию света можно объяснить,
рассмотрев интерференцию волн. Необходимым условием интерференции волн является
их когерентность, т.е. согласованное во времени и пространстве протекание
нескольких колебательных или волновых процессов.

Этому условию удовлетворяют
монохроматические волны – пространственно несвязанные волны с определенной и
строго постоянной частотой.

Поскольку ни один реальный источник не
производит строго монохроматический свет, волны, излучаемые независимыми
источниками света, всегда не когерентны. Поэтому интерференция света от
независимых источников, например, двух лампочек, в экспериментах не наблюдается.

Чтобы понять
физическую причину не монохроматичности и, следовательно, не когерентности
волн, излучаемых двумя независимыми источниками света, мы можем начать с
механизма излучения света самими атомами.

В случае двух
независимых источников света атомы излучают
независимо друг от друга. В каждом из этих атомов процесс излучения конечен и
длится очень короткое время (τ 10-8 с). За это время возбужденный атом
возвращается в свое нормальное состояние, и излучение света им прекращается.

При повторном возбуждении атом снова
начинает излучать световые волны, но уже с новой начальной фазой.

Поскольку разность фаз между излучением
двух таких независимых атомов меняется с каждым новым излучением, волны,
спонтанно испускаемые атомами любого источника света, не являются когерентными.

Так, волны, испускаемые атомами только
в течение промежутка времени 10-8 с, имеют приблизительно постоянные амплитуду
и фазу колебаний, тогда как в течение более длительного промежутка времени и
амплитуда, и фаза изменяются.

Прерывистое излучение света атомами в
виде одиночных коротких импульсов называется волновой цепочкой.

Описанная модель излучения света справедлива
для любого макроскопического источника, поскольку атомы светящегося тела также
излучают свет независимо друг от друга.

Это означает, что начальные фазы
соответствующих волновых цунами не связаны между собой.

Более того, даже для одного и того же атома
начальные фазы различных цунами отличаются при двух последовательных актах
излучения. Поэтому свет, излучаемый макроскопическим источником, не является
когерентным.

Любой немонохроматический свет можно
представить в виде набора чередующихся независимых гармонических тонов. Средняя
продолжительность дуги τcog называется временем когерентности.

Когерентность существует только в
пределах одной катушки, и время когерентности не может превышать время эмиссии,
т.е. τcog < τ. Прибор обнаружит уникальную интерференционную картину только
в том случае, если время разрешения прибора значительно меньше времени
когерентности наложенных световых волн.

Если волна распространяется в
однородной среде, то фаза колебаний в определенной точке пространства
сохраняется только в течение времени когерентности τког. За это время волна
распространяется в вакууме на расстояние lког =сτког, называемое длиной
когерентности (или длиной цуга).

Таким образом, длина когерентности есть
расстояние, при прохождении которого две или несколько волн утрачивают
когерентность.

Отсюда следует, что наблюдение
интерференции света возможно лишь при оптических разностях хода, меньших длины
когерентности для используемого источника света.

Чем ближе волна к монохроматической,
тем меньше ширина Δώ спектра ее частот и, как можно показать, больше ее время
когерентности τког, а, следовательно, и длина когерентности lког.

Когерентность
колебаний, происходящих в одной и той же точке пространства, определяемая
степенью монохроматичности волн, называется временной когерентностью.

В дополнение к
временной когерентности вводится понятие пространственной когерентности для
описания когерентных свойств волн в плоскости, перпендикулярной направлению
распространения.

Два источника, размеры
и взаимное расположение которых позволяют (при требуемой степени
монохроматичности света) наблюдать интерференцию, называются пространственно
когерентными [5].

Радиус когерентности
(или пространственная длина когерентности) – это максимальное расстояние,
поперечное направлению распространения волны, на
котором возможна интерференция. Таким образом, пространственная когерентность
определяется радиусом когерентности. Радиус когерентности