5.3. Интерференционные и поляризационные методы измерений.
Интерференция имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого другого. На использовании интерференции основано действие интерферометров и интерференционных спектроскопов.
Оптическая разности длин, обусловленная геометрической разностью длин вызывает смещение фазы волнового фронта, которое оценивается с помощью интерференционной картины. В интерферометре луч света от источника делится на два перпендикулярных когерентных луча, которые отражаясь от соответствующих зеркал создают интерференционную картину, при изменении длины одного из плеч интерферометра интерференционные полосы смещаются на величину, пропорционально смещению зеркала.
Смещение подвижного зеркала соответствует измеряемому геометрическому размеру. На рис.5.4 представлена упрощенная схема интерферометра. Интерференционные методы измерений позволяют определять размеры с точностью десятых долей длины волны света, т.е. обладают разрешающей способностью на порядок больше, чем обычные микроскопические методы измерений.
Определение толщины тонких пленок. Цвета тонких пленок объясняются явлениями интерференции. При освещении поверхности тонкой пленки параллельным пучком лучи 1 и 2 падают на плоскопараллельную пластинку (рис.5.5). Луч 1 в точке А частично отражается, частично преломляется и попадает в точку В; здесь, на границе сред, снова отражается, попадает в точку С и интерферирует с отраженной частью луча 2. Если в направлении отраженных лучей 1 и 2 получается темнота, то разность хода равна λ / 2 или нечетному числу полуволн. Разность хода зависит от толщины пластинки. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн. Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей просветления оптики и для контроля толщины окисных пленок при производстве микроэлектронных кристаллов. Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны.
Поперечные волны могут поляризованными и неполяризованными. Свет, у которого направления колебаний вектора Е упорядочены каким-то образом, называется поляризованным. Световая волна называется плоско поляризованной если вектор Е лежит в одной плоскости, круговая — конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний (рис.5.6).
На основе этих двух формируются и другие, более сложные виды поляризации, например, эллиптическая. Излучение света атомом не может быть непрерывным. Ограниченный ряд повторяющихся возмущений называется цугом волны. Обычно понятие цуга относят к отрезку синусоиды. Естественный свет - это смесь огромного числа цугов, каждый цуг поляризован, но направления векторов этих цугов различное. Поэтому естественный свет не поляризован, у него отсутствует какое-либо упорядочение направлений колебаний вектора Е.
Линейно поляризованный свет можно наблюдать, например, в излучении лазера. Другой способ получения линейно поляризованного света состоит в пропускании естественного света через поляроид (поляризационный светофильтр), который свободно пропускает компоненту света, поляризованную вдоль выделенного направления, и полностью поглощает свет с перпендикулярной поляризацией.
Все твердые вещества делятся на изотропные, характеризующиеся одинаковыми параметрами во всех направлениях, и анизотропные – значения параметров которых зависят от направления. В качестве поляроидов можно использовать только анизотропные кристаллы. Если на такой поляроид падает линейно поляризованная волна, то интенсивность I прошедшего света будет зависеть от угла между направлением поляризации падающего света и выделенным направлением самого поляроида следующим образом (закон Малюса): I = I0cos2. При =0 на экране за поляроидом видно пятно с максимальной интенсивностью. Когда направление выделенной оси поляроида перпендикулярны направлению поляризации падающего света, свет полностью поглощается поляроидом, и световое пятно на экране отсутствует.
Таким образом, в физических измерениях явление поляризации можно использовать для исследования степени анизотропности объекта. Если изотропный кристалл поместить между двумя поляризаторами (второй носит название анализатора), оси поляризации которых взаимно перпендикулярны, то на выходе такой системы мы получим темное поле. При деформации такого кристалла условия изотропности локально нарушаются, и на выходе будут наблюдаться более светлые участки, соответствующие деформируемым областям кристалла (рис.5.7).
Явление изменения оптических свойств кристалла при деформации (пьезооптический эффект) называется фотоупругостью. Это явление широко используется например для определения степени напряженности деталей при механическом воздействии.