Интерферометр Ньютона (качественное представление)

Интерференционную картину света можно получить способом, которым ее впервые наблюдал Ньютон. Плосковыпуклая линза 1 (рис.2) большого радиуса кривизны R соприкасается в некоторой точке О с плоской поверхностью стеклянной пластинки 2. Между линзой и пластинкой образуется своего рода воздушный клин. Линза освещена сверху параллельным пучком лучей света 3. Каждый луч, упавший на линзу, частично отражается обратно (точка В), а частично проходит в воздушный промежуток. Отражаясь в точке D от верхней поверхности пластинки, луч идет обратно и интерферирует с лучом, отразившимся в точке В. Из-за большого радиуса кривизны линзы будем считать, что лучи идут практически вертикально. В действительности же оба отраженных луча идут под небольшим углом друг к другу и пересекаются вблизи воздушного клина. Оба луча, отраженные в точках В и D, получены делением на две части одного луча. Следовательно, они когерентны, при условии, что оптическая разность хода меньше, чем длина когерентности (см. [1]). При сложении этих лучей в области их пересечения наблюдается интерференционная картина. Вышеописанное оптическое устройство называется интерферометром Ньютона.

рис. 2. Оптический клин, возникающий в зазоре между сферической поверхностью линзы и плоской поверхностью стеклянной пластины.

В интерферометре Ньютона не обязательно использовать плоско-выпуклую линзу. Она может быть заменена другой оптической деталью. В этом случае интерференционная картина также будет образовываться за счет наличия воздушного зазора между нижней поверхностью этой детали и верхней поверхностью стеклянной пластинки. При этом изменится форма полос. При использовании линзы, как это будет показано ниже, наблюдается система концентрических интерференционных колец, форма которых обусловлена сферической поверхностью линзы. Эта интерференционная картина носит название колец Ньютона (Рис.3).

рис. 3. Вид интерференционных колец Ньютона.

Интерференционные полосы, возникающие в результате интерференции от мест одинаковой толщины, называются полосами равной толщины. Кольца Ньютона являются примером полос равной толщины.

Кольца Ньютона и их количественные характеристики

Если в контакт с плоскопараллельной пластинкой вводится сферическая поверхность оптической детали, например, линзы, то интерференционная картина, наблюдаемая в интерферометре Ньютона, имеет вид системы концентрических колец с постепенно изменяющимся расстоянием между ними. Для определения положения темных и светлых интерференционных полос необходимо найти оптическую разность хода между интерферирующими лучами. Обратимся снова к Рис.2. Луч света, вошедший в воздушный клин, дважды проходит толщину d этого клина и отстает от первого луча на расстояние 2d. Кроме того, при отражении от нижней пластинки, которая является оптически более плотной средой, чем воздух, волна скачком меняет фазу на противоположную (см. [1]), что эквивалентно увеличению (или уменьшению) пути на . Такое отражение называется отражением с потерей полуволны. Поскольку показатель преломления воздуха , то с учетом потери полуволны разность хода равна

. (15)

Величина воздушного промежутка d на расстоянии r от точки касания О, очевидно, зависит от радиуса кривизны линзы. Чем больше R, тем меньше d при равных значениях r.

Определим теперь форму интерференционных полос. Рассмотрим, например, условие минимума интенсивности света. Чтобы найти положение минимума, нужно разность хода приравнять нечетному числу полуволн:

,

откуда толщина воздушного промежутка в местах минимальной интенсивности равна

. (16)

Все определенные отсюда толщины воздушного промежутка при соответствуют темным интерференционным полосам. Светлые полосы располагаются между темными. Так как линии равных толщин воздушного промежутка имеют форму окружностей, то интерференционная картина будет иметь форму чередующихся темных и светлых колец с темным пятном вблизи точки касания пластинки с линзой. В этой точке и удовлетворяется условие минимума при . Полученная картина, как уже упоминалось, носит название колец Ньютона (рис.3).

Обратим внимание, что положение минимумов (и максимумов) зависит от длины волны света, освещающего линзу (см. (16)). Поэтому система светлых и темных колец получается 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. Интерференционные кольца можно наблюдать и в проходящем свете, причем в данном случае потери полуволны нет. Оптическая разность хода для проходящего и отраженного света отличается на , т.е. максимумам интерференции в отраженном свете соответствуют минимумы интерференции в проходящем свете, и наоборот.