Применение интерференции и дифракции света

Применение  интерференции и  дифракции света

Интерференция света 

• ·  По интерференционной картине  можно выявлять и измерять  неоднородности среды, в которой  распространяются волны, или отклонения  формы поверхности от заданной.
• Явление интерференции волн, рассеянных от некоторого объекта (или прошедших через него) с «опорной» волной, лежит в основе голографии.
• Интерференционные волны от отдельных «элементарных» излучателей используются при создании сложных излучающих систем (антенн) для электромагнитных и акустических волн.

 Просветление оптики и получение высокопрозрачных покрытий и селективных оптических фильтров.  
 

Одной  из важных задач, возникающих  при построении различных оптических  и антенных устройств СВЧ-диапазона,  является уменьшение потерь интенсивности  света, мощности потока электромагнитной  энергии при отражении от поверхностей  линз, обтекателей антенн и пр. приборов, используемых для преобразований  световых и радиоволн в разнообразных  приборах фотоники, оптоэлектроники  и радиоэлектроники. Для уменьшения  потерь на отражение используется  покрытие оптических деталей (линз) 3 пленкой 2 со специальным образом  подобранными толщиной δ и  показателем преломления n.

• Получение  высокоотражающих  диэлектрических  зеркал.

 

      Значительно повысить коэффициент отражения R зеркал можно, используя последовательность чередующихся диэлектрических слоев с высоким   и низким   показателями преломления. Если оптическая толщина всех слоев одинакова и равна , то отраженные их границами волны находятся, как легко заметить, в одинаковой фазе и в результате интерференции усиливают друг друга..

    Обычно  наносят от 5 до 15 слоев сульфида  цинка и криолита.  

Лазерные дифракционные измерители  линейных размеров малых объектов 
 

  Дифракционные методы контроля качества изготовления периодических структур являются наиболее перспективными. Они положены в основу многочисленных лазерных дифракционных измерителей линейных размеров малых объектов.  Для контроля диаметра тонких отверстий в предложено освещать контролируемые отверстия монохроматической световой волной и измерять амплитуду четных и нечетных максимумов дифракционной картины отверстия. Для расширения диапазона диаметра измеряемых отверстий, необходимо изменять длину волны  излучения до тех пор, пока амплитуда интерференционного сигнала нечетных гармоник достигнет удвоенного. 

Голография 

• Голография (от греческого, Όλος—holos — полный + γραφή—graphe — запись) — технологии  для записи, воспроизведения и  переформирования волновых полей.
• Метод был предложен в 1948 г. Дэннисом Габором, он же ввёл термин голограмма и получил «за изобретение и развитие голографического принципа» Нобелевскую премию по физике в 1971 г.
• Наибольшее распространение получили технические методы оптической голографии в видимой области.

 

Две  голограммы Денисюка, восстановленные  светом галогеновой лампы

• Схема  записи Лейта-Упатниекса 

       В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду (например, фотопластинку). Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале — лазера 

Способы  получения голограмм

            Схема  записи Денисюка

В 1962 г. русский физик Юрий Николаевич  Денисюк предложил перспективный  метод голографии с записью  в трехмерной среде. В этой  схеме луч лазера расширяется  линзой и зеркалом направляется  на фотопластинку. Часть луча, прошедшая  через неё, освещает объект. Отраженный  от объекта свет формирует  объектную волну. Как видно, объектная  и опорная волны падают на  пластинку с разных сторон. В  этой схеме записывается отражающая  голограмма, которая самостоятельно  вырезает из сплошного спектра  узкий участок (участки) и отражает  только его (т.о. выполняя роль  светофильтра Благодаря этому  изображение голограммы видно  в обычном белом свете солнца  или лампы (см. иллюстрацию в начале  статьи).

• Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения полупроводникового лазера (имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения линз) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основы, на которой закрепляется лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

• Основным  фотоматериалом для записи голограмм  являются специальные фотопластинки  на основе традиционного бромида  серебра.

 

Галогенсеребряные  фотоматериалы 

Фотохромные  кристаллы 

Наряду  с очевидными материалами —  фотографическими мелкозернистыми  галогенсеребряными средами применяются  так называемые фотохромные среды: изменяющие спектр поглощения  под действием записывающего  света 

Источники  света 

При  записи голограммы крайне важно, чтобы длины (частоты) объектной  и опорной волн с максимальной  точностью совпадали друг с  другом и не менялись в течение  всего времени записи (иначе на  пластинке не запишется чёткой  картины интерференции). Этого можно  добиться только при выполнении  двух условий: 

• обе  волны изначально испущены одним  источником
• этот источaaник испускает электромагнитное излучение с очень стабильной длиной волны (когерентное излучение)

 

Крайне  удобным источником  света, хорошо удовлетворяющим  второму условию, является лазер.

Применение 

• Методы  голографии (запись голограммы в  трехмерных средах, цветное и  панорамное голографирование и  т. д.) находят все большее развитие.
• Применения голографии разнообразны, во наиболее важными, приобретающими все большее значение, являются запись и хранение информации.
• Методы голографии позволяют записывать в сотни раз больше страниц печатного текста, чем методы обычной микрофотографии. По подсчетам, на фотопластинку размером 32´32 мм можно записать 1024 голограммы (площадь каждой из них 1 мм2), т. е. на одной фотопластинке можно «разместить» книгу объемом свыше тысячи страниц.
• В качестве будущих разработок могут служить ЭВМ с топографической памятью, голографический электронный микроскоп, голографические кино и телевидение, топографическая интерферометрия и т. д.

Голографическая  дифракционная решетка 

• Новый  способ получения дифракционных  структур на стеклянных подложках  с металлическим напылением нанометровой  толщины (100-120 нанометров) за счет  селективного испарения металла  при интерференции мощного импульсного  лазерного излучения. В зависимости  от технологических режимов могут  быть получены дифракционные  решетки с периодом от 1 до 6 мкм [1]. Благодаря низкой стоимости  такие голографические решетки  могут быть использованы для  демонстрации оптических явлений  в учебном процессе, а так же  найти применение в разнообразных  оптических приборах. На рисунке  показано увеличенное изображение  дифракционной решетки . 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

• 1  - металлический отражающий штрих,  2 - испаренная часть металлического  покрытия). 

Дифракционная  решётка 

• Дифракционная  решетка — оптический прибор, представляющий собой совокупность  большого числа параллельных, равноотстоящих  друг от друга микроскопических  штрихов одинаковой формы, нанесённых  на плоскую или вогнутую оптическую  поверхность.

 

• Это  оптический прибор, работающий по  принципу дифракции света

 

Очень  большая отражательная дифракционная  решетка.

Так  выглядит свет лампы накаливания  фонарика, прошедший через прозрачную  дифракционную решётку. Нулевой  максимум (m=0) соответсвует свету, прошедшему  сквозь решётку без отклонений. В силу дисперсии решётки в  первом (m=±1) максимуме можно наблюдать  разложение света в спектр. Угол  отклонения возрастает с ростом  длины волны (от синего цвета  к красному) 

Нарезка  компакт-диска может считаться  дифракционной решеткой.

• Характеристики

 

• Одной  из характеристик дифракционной  решетки является угловая дисперсия. Предположим, что максимум какого-либо  порядка наблюдается под углом  φ для длины волны λ и  под углом φ+Δφ — для длины  волны λ+Δλ. Угловой дисперсией  решетки называется отношение D=Δφ/Δλ. Выражение для D можно получить  если продифференцировать формулу  дифракционной решетки
• Таким образом, угловая дисперсия увеличивается с уменьшением периода решетки d и возрастанием порядка спектра k.

 

• Виды  решёток
• Отражательные

    Штрихи  нанесены на зеркальную (металлическую) поверхность, и наблюдение ведется  в отраженном свете;

• Прозрачные

    Штрихи  нанесены на прозрачную поверхность (или вырезаются в виде щелей  на непрозрачном экране), наблюдение  ведется в проходящем свете.     

Изготовление

    Хорошие  решетки требуют очень высокой  точности изготовления. Если хоть  одна щель из множества будет  нанесена с ошибкой, то решетка  будет бракована. Машина для изготовления  решеток прочно и глубоко встраивается  в специальный фундамент. Перед  началом непосредственного изготовления  решеток, машина работает 5-20 часов  на холостом ходу для стабилизации  всех своих узлов. Нарезание решетки  длится до 7 суток, хотя время нанесения  штриха составляет 3 секунды.