Anvendelse af interferens, tyndfilmsinterferens

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

I dag vil vi tale om brugen af interferens i videnskab og hverdagsliv, afsløre den fysiske betydning af dette fænomen og fortælle om historien bag dets opdagelse.

Definitioner og distributioner

Før du taler om betydningen af et fænomen i naturen og teknologien, skal du først give en definition. I dag overvejer vi et fænomen, som skolebørn studerer i fysiktimerne. Lad os derfor, før vi beskriver den praktiske anvendelse af interferens, gå til lærebogen.

Til at begynde med skal det bemærkes, at dette fænomen gælder for alle typer bølger: dem, der opstår på vandoverfladen eller under forskning. Så interferens er en stigning eller reduktion i amplituden af to eller flere sammenhængende bølger, som opstår, hvis de mødes på et punkt i rummet. Maksima i dette tilfælde kaldes antinoder, og minima kaldes noder. Denne definition omfatter nogle egenskaber ved oscillerende processer, som vi vil afsløre lidt senere.

Billedet, der er resultatet af at lægge bølger oven på hinanden (og der kan være mange af dem) afhænger kun af den faseforskel, hvori svingningerne kommer til et punkt i rummet.

Lys er også en bølge

Forskere kom til denne konklusion allerede i det sekstende århundrede. Grundlaget for optik som videnskab blev lagt af den verdensberømte engelske videnskabsmand Isaac Newton. Det var ham, der først indså, at lys består af visse elementer, hvis mængde bestemmer dets farve. Videnskabsmanden opdagede fænomenet spredning og brydning. Og han var den første til at observere interferensen af lys på linser. Newton studerede sådanne egenskaber ved stråler som brydningsvinklen i forskellige medier, dobbelt brydning og polarisering. Han er krediteret med den første anvendelse af bølgeinterferens til gavn for menneskeheden. Og det var Newton, der indså, at hvis lys ikke var vibrationer, ville det ikke udvise alle disse egenskaber.

Lette ejendomme

Lysets bølgeegenskaber omfatter:

1. Bølgelængde. Dette er afstanden mellem to tilstødende højder af et sving. Det er bølgelængden, der bestemmer farven og energien af synlig stråling.
2. Frekvens. Dette er antallet af komplette bølger, der kan forekomme på et sekund. Værdien er udtrykt i Hertz og er omvendt proportional med bølgelængden.
3. Amplitude. Dette er "højden" eller "dybden" af oscillationen. Værdien ændres direkte, når to svingninger interfererer. Amplituden viser, hvor kraftigt det elektromagnetiske felt blev forstyrret for at generere netop denne bølge. Det indstiller også feltstyrken.
4. Bølgefase. Dette er den del af svingningen, der nås på et givet tidspunkt. Hvis to bølger mødes på samme punkt under interferens, vil deres faseforskel blive udtrykt i enheder af π.
5. Kohærent elektromagnetisk stråling kaldes medsamme egenskaber. Sammenhængen af to bølger indebærer konstanten af deres faseforskel. Der er ingen naturlige kilder til sådan stråling, de er kun skabt kunstigt.

Første ansøgning er videnskabelig

Sir Isaac arbejdede hårdt og hårdt på lysets egenskaber. Han observerede præcis, hvordan en stråle af stråler opfører sig, når den støder på et prisme, en cylinder, en plade og en linse fra forskellige brydningsgennemsigtige medier. En gang placerede Newton en konveks glaslinse på en glasplade med en buet overflade nedad og rettede en strøm af parallelle stråler ind på strukturen. Som et resultat afviger radi alt lyse og mørke ringe fra midten af linsen. Forskeren gættede straks, at et sådant fænomen kun kan observeres, hvis der er en eller anden periodisk egenskab i lyset, der slukker strålen et eller andet sted, og et eller andet sted, tværtimod, forbedrer den. Da afstanden mellem ringene afhang af linsens krumning, var Newton i stand til tilnærmelsesvis at beregne oscillationens bølgelængde. Således fandt den engelske videnskabsmand for første gang en konkret anvendelse for fænomenet interferens.

Slidinterferens

Yderligere undersøgelser af lysets egenskaber krævede opsætning og udførelse af nye eksperimenter. Først lærte forskerne, hvordan man skaber sammenhængende bjælker fra ret heterogene kilder. For at gøre dette blev strømmen fra en lampe, et lys eller en sol delt i to ved hjælp af optiske enheder. For eksempel, når en stråle rammer en glasplade i en vinkel på 45 grader, så en del af denbrydes og går videre, og en del reflekteres. Hvis disse strømme laves parallelle ved hjælp af linser og prismer, vil faseforskellen i dem være konstant. Og for at lyset i eksperimenterne ikke kom ud som en vifte fra en punktkilde, blev strålen lavet parallel ved hjælp af en nærfokuslinse.

Da videnskabsmænd lærte alle disse manipulationer med lys, begyndte de at studere fænomenet interferens på en række forskellige huller, inklusive en smal sp alte eller en række sp alter.

Interferens og diffraktion

Oplevelsen beskrevet ovenfor blev mulig på grund af en anden egenskab ved lys - diffraktion. Ved at overvinde en forhindring, der er lille nok til at blive sammenlignet med bølgelængden, er oscillationen i stand til at ændre retningen af dens udbredelse. På grund af dette, efter en smal sp alte, ændrer en del af strålen udbredelsesretningen og interagerer med stråler, der ikke ændrede hældningsvinklen. Derfor kan anvendelserne af interferens og diffraktion ikke adskilles fra hinanden.

Modeller og virkelighed

Hidtil har vi brugt modellen for en ideel verden, hvor alle lysstråler er parallelle med hinanden og sammenhængende. Også i den enkleste beskrivelse af interferens er det underforstået, at stråling med samme bølgelængder altid stødes på. Men i virkeligheden er alt ikke sådan: lyset er oftest hvidt, det består af alle de elektromagnetiske vibrationer, som Solen giver. Det betyder, at interferens opstår i henhold til mere komplekse love.

tynde film

Det mest oplagte eksempel af denne artinteraktion af lys er indfaldet af en lysstråle på en tynd film. Når der er en dråbe benzin i en byvandpyt, glitrer overfladen af alle regnbuens farver. Og dette er netop resultatet af interferens.

Lys falder på filmens overflade, brydes, falder på grænsen mellem benzin og vand, reflekteres og brydes igen. Som et resultat møder bølgen sig selv ved udgangen. Således er alle bølger undertrykt, undtagen dem, for hvilke én betingelse er opfyldt: filmtykkelsen er et multiplum af en halv-heltals bølgelængde. Så ved udgangen vil oscillationen møde sig selv med to maksima. Hvis tykkelsen af belægningen er lig med hele bølgelængden, så vil output overlejre maksimum på minimum, og strålingen vil slukke af sig selv.

Heraf følger, at jo tykkere filmen er, desto større må bølgelængden være, der vil komme ud af den uden tab. Faktisk hjælper en tynd film med at fremhæve individuelle farver fra hele spektret og kan bruges i teknologi.

Fotooptagelser og gadgets

Mærkeligt nok er nogle applikationer af interferens velkendte for alle fashionistaer rundt om i verden.

Hovedopgaven for en smuk kvindelig model er at se godt ud foran kameraerne. Et helt team forbereder kvinder til en fotoshoot: en stylist, makeupartist, mode- og indretningsdesigner, magasinredaktør. Irriterende paparazzier kan ligge og vente på en model på gaden, derhjemme, i sjovt tøj og en latterlig positur og derefter vise billederne offentligt. Men godt udstyr er afgørende for alle fotografer. Nogle enheder kan koste flere tusinde dollars. BlandtDe vigtigste egenskaber ved sådant udstyr vil nødvendigvis være oplysningen af optikken. Og billederne fra sådan en enhed vil være af meget høj kvalitet. Derfor vil et stjerneskud uden forberedelse heller ikke se så uattraktivt ud.

Briller, mikroskoper, stjerner

Grundlaget for dette fænomen er interferens i tynde film. Dette er et interessant og almindeligt fænomen. Og finder anvendelser af lysinterferens i en teknik, som nogle mennesker holder i hænderne hver dag.

Det menneskelige øje opfatter den grønne farve bedst. Derfor bør fotografier af smukke piger ikke indeholde fejl i denne særlige region af spektret. Hvis en film med en bestemt tykkelse påføres kameraets overflade, vil sådant udstyr ikke have grønne refleksioner. Hvis den opmærksomme læser nogensinde har bemærket sådanne detaljer, burde han være blevet slået af tilstedeværelsen af kun røde og lilla refleksioner. Den samme film påføres briller.

Men hvis vi ikke taler om det menneskelige øje, men om en lidenskabsløs enhed? For eksempel skal et mikroskop registrere det infrarøde spektrum, og et teleskop skal studere stjernernes ultraviolette komponenter. Derefter påføres en antirefleksfilm af en anden tykkelse.