: архив : архив журнала "625" : 1999 : #8

Оптика: интерференция
Леонид Чирков

Два оптических явления - интерференция и дифракция - связаны с волновой природой света. О явлениях, описываемых геометрической оптикой, можно было бы сказать, что в них проявляется корпускулярная природа света. Однако в чистом виде (без волновых "примесей") не проходит ни одно явление, включаемое в геометрическую оптику.

Исторически законы и явления, относящиеся к геометрической оптике, были установлены раньше тех, которые следует считать волновыми. Так, фундамент геометрической оптики был построен голландцем Виллебрордом Снеллем (1620 г.) и французом Рене Декартом (1637 г.), а объяснение явления интерференции света как волнового процесса было дано в начале 19 века англичанином Томасом Юнгом и французом Огюстеном Френелем.

Интерференция

Интерференция (от латинского inter - между и ferens (ferentis) - несущий, переносящий) - это явление, наблюдаемое при сложении в пространстве двух или нескольких волн. Интерференция состоит в том, что интенсивность результирующей волны зависит от разности фаз складываемых волн.

Интенсивность излучения (лучистого потока) - это полный поток излучения, проходящий за единицу времени (например, секунду) через единичную площадь (например, кв. метр) в направлении нормали к этой площади. Из этого определения видно, что интенсивность светового пучка I пропорциональна объемной плотности энергии, соответствующей электромагнитной волны

В электродинамике действует принцип независимости электромагнитных волн в вакууме и в однородных изотропных линейных средах. На первый взгляд этот принцип прямо противоположен тому, что ранее названо интерференцией. А все дело в том, что "независимость" распространяется только на однородные процессы и среды.

Рис. 1. а - простое пересечение лучей;
б - интерференция на диффузном экране;
в - на полупрозрачном зеркале

Взгляните на рис. 1а, иллюстрирующий простое пересечение лучей. В области пересечения происходит интерференция, но за пределами этой области лучи продолжают распространяться так, как будто никакого взаимодействия не было. Исходные интенсивности лучей не изменились.

Но все выглядит по-иному, если в область интерференции внесен какой-либо объект, влияющий на характер распространения интерферирующих волн. Пусть это будет, например, диффузно рассеивающий экран (рис. 1б).

На таком экране можно наблюдать интерференционное поле, которое, в случае простого пересечения лучей, представлено чередой темных и светлых полос, если интенсивности интерферирующих лучей одинаковы, - это обычное условие наблюдения или практического применения интерференции. В противном случае появится фоновая засветка интерференционного поля, равная разности интенсивностей интерферирующих лучей.

В качестве неоднородного объекта можно использовать и такой оптический элемент, как полупрозрачное зеркало. Такое зеркало отражает и пропускает половину падающего на него светового потока. Считаем по-прежнему, что интерферирующие лучи имеют одинаковую интенсивность по I0/2 каждый (рис. 1в). Полупрозрачное зеркало делит падающие лучи на отраженный и проходящий световые потоки. Расщепленные таким образом световые пучки уходят, но при этом в составе каждого уходящего светового пучка есть два компонента: один - прошедший через зеркало, другой - отраженный. Эти компоненты интерферируют, в результате чего их интенсивности l1 и l2 оказываются различными. Они зависят от разности фаз j интерферирующих лучей.

В первой части статьи было дано определение волновой постоянной среды - 2pn/l. Произведение волновой постоянной и разности хода Dl интерферирующих лучей и определяет разность их фаз j=2pnDl/l. Интенсивности компонент, уходящих из области интерференции (рис. 2), определяются формулами:

Разность фаз j=2pnDl/l обратно пропорциональна длине волны света (иначе, пропорциональна частоте волны). Это означает, что интерференция обладает ярко выраженной дисперсией, которая в случае немонохромных волн маскирует интерференционный эффект. Отсюда и следуют довольно жесткие требования к монохромности излучения, когда необходимо зафиксировать интерференционное поле. К интерферирующим световым пучкам предъявляются достаточно жесткие требования также по когерентности, без чего устойчивая интерференционная картина невозможна. При интерференции пучков от независимых источников излучения когерентность должна быть абсолютной. Но даже такие источники излучения высокой когерентности, как газовые лазеры, этому требованию не удовлетворяют, а на практике обеспечивают так называемую относительную когерентность. В этом случае используют один источник излучения, а два интерферирующих потока формируют расщеплением исходного светового пучка. Для этого используют, например, полупрозрачное зеркало. Есть и другие схемы деления на основе зеркал, призм. В итоге мы приходим к обобщенной схеме двухлучевого интерферометра (рис. 3). Именно по таким двухлучевым схемам, в частности, строятся установки записи голограмм.

Есть еще одна схема интерференции, о которой полезно знать, - это многопроходная интерференция. Она широко применяется сейчас в оптических системах камер и объективов. Первым многопроходным интерференционным прибором был интерферометр Фабри-Перо - это, в сущности, два зеркала, параллельные друг другу и разделенные некоторым промежутком. В классической схеме (рис. 4а) зеркала - обычно с высоким коэффициентом отражения (90...98%) и, соответственно, низкой прозрачностью (10...2%) без учета возможных потерь. Проходящие лучи интерферируют за вторым зеркалом, отраженные - перед первым. Считается, что потери света при прохождении световых пучков через зеркала отсутствуют или, более точно, так малы, что ими можно пренебречь. Однако такое утверждение, если речь идет о зеркалах с напыленными на стекла тонкими металлическими пленками, - неверно, так как металл является интенсивно поглощающей средой.

Рисунок 4, естественно, огрублен, чтобы показать, как формируются проходящий I1 и отраженный I2 световые потоки. Падающий на интерферометр световой поток делится первым зеркалом на отраженный и проходящий свет. Процесс деления лучей на проходящие и отраженные пучки повторяется многократно как на первом, так и на втором зеркалах. Поверхности зеркал интерферометра параллельны. В случае слаборасходящихся пучков интерференционное поле состоит из темных и светлых полос. Если используются расходящиеся (сходящиеся) световые пучки, то интерференционное поле содержит концентрическую систему светлых и темных кругов.

Интерферометр Фабри-Перо с немонохромным излучением работает как эффективный частотный (спектральный) фильтр. Превратить многопроходный интерферометр в частотный фильтр довольно просто. Для этого достаточно на пути проходящего или отраженного луча поставить диафрагму, диаметр отверстия которой не превышает ширину светлой интерференционной полосы. Следует помнить, что в отсутствии поглощения и рассеяния света выполнено равенство: I1+I2=I0 - то есть сумма интенсивностей проходящего и отраженного света равна интенсивности падающего на прибор светового потока. На рис. 4б представлены спектральные характеристики интерферометра для проходящих и отраженных волн в случае, когда коэффициенты отражения зеркал приближаются к 100%.

Итак, спектральная характеристика многопроходного интерферометра имеет ярко выраженный гребенчатый характер. Для проходящего луча - это узкие спектральные полосы пропускания l1, l2 и т.п. Конкретные значения длины волны, соответствующие максимумам полос прозрачности (минимумам отражения), зависят от расстояния между зеркалами. Меняя их, можно настраивать прибор на требуемую спектральную полосу. Спектральные характеристики отраженного луча дополняют характеристику проходящего до единицы.

Многопроходный интерферометр является спектральным прибором с очень высокой разрешающей силой. Например, при коэффициенте отражения зеркал 90% и расстоянии между зеркалами 10 см, длине волны анализируемого света около 0,5 мкм разрешаемый интервал составит одну миллионную (10-6) длины волны (то есть меньше, чем 10-12 м). Разрешающая способность интерферометра станет еще больше, если использовать зеркала с коэффициентами отражения более 90% и увеличить расстояние между зеркалами.

Интерферометр Фабри-Перо - важный элемент лазерной техники. Он используется как оптический резонатор. Активную лазерную среду размещают между зеркалами интерферометра - и лазер, в принципе, готов! Более подробно о лазерных генераторах света мы поговорим в соответствующем разделе.

У многопроходных интерферометров есть одна особенность, о которой теперь следует упомянуть. На рис. 5 показана в качестве примера система трех оптически связанных интерферометров. Коэффициенты отражения R1, R2, R3 и т.п. могут быть различными, так же, как и промежутки между зеркалами l1, l2, l3. Верно следующее утверждение: меняя число связанных интерферометров, коэффициенты отражения зеркал и промежутки между ними, возможно с заданной точностью сформировать требуемую характеристику пропускания или отражения связанной оптической системы.

Конечно, монстров из многочисленного набора зеркал, крепежных и юстировочных элементов никто не строит, но для этого создана интегрально-пленочная технология. Она и дает возможность с пользой распорядиться особенностями связанных интерференционных систем. Рис. 6а поясняет, как выглядит интерференционный пленочный светофильтр. На стеклянную подложку напыляются тонкие пленки прозрачных веществ с различными коэффициентами преломления. Границы раздела между пленками выполняют функцию зеркал, при этом от разности коэффициентов преломления зависят коэффициенты отражения этих границ.

В качестве "строительных" материалов часто применяют хлористый свинец, двуокись титана, сульфид цинка. Это диэлектрические материалы с высоким значением коэффициента преломления: n=2,2...2,3. Для пленок с низким значением коэффициента преломления (n=1,3...1,4) используют, например, фтористый магний и двуокись кремния. Впрочем, набор современных материалов для интерференционных покрытий, конечно, значительно шире приведенного перечня. Напыление ведется в вакууме, при этом толщина той или иной пленки тщательно контролируется. Это очень важно, поскольку именно от точного соблюдения расчетной толщины пленок интерференционного покрытия во многом зависит конечный результат - будет или нет, с какой точностью воспроизведена заданная функция фильтрации.

Просветляющие покрытия (или антиотражающие) предохраняют оптические системы от возможного образования бликов при отражении направленных световых пучков от поверхностей отдельных элементов. Просветляющее покрытие - это интерференционный светофильтр, который пропускает все падающее на него излучение. Элементы современных оптических приборов, например объективов, имеют просветляющие покрытия. К слову, в монохромных системах покрытие, устраняющее отражения, может быть однослойным с оптической толщиной в четверть длины волны света. Для того, чтобы обеспечить антиотражающие свойства во всем видимом диапазоне, соответствующее покрытие должно быть многослойным. Диэлектрические пленки - "легкоранимый" элемент, и потому требуют к себе бережного отношения.

Диэлектрические зеркала - еще одна разновидность интерференционного светофильтра. Такие зеркала могут быть полупрозрачными или иметь высокий (98-99%) коэффициент отражения, быть глухими (100%), то есть полностью отражать все падающее излучение. Так, в лазерных резонаторах применяются исключительно диэлектрические зеркала. По сравнению с зеркалами, имеющими металлические покрытия, диэлектрические зеркала практически не поглощают излучение. Это очень важно. Например, в газовых лазерах на каждый милливатт излученной мощности приходится десятки ватт, накопленных в резонаторе. Когда столь мощный световой поток обрушивается на частично поглощающую свет тонкую пленку металла, она буквально взрывается. Прозрачные диэлектрические пленки не перегреваются, поскольку свет не поглощают. Для монохромных систем уже одна пленка в половину длины волны обеспечивает зеркальный эффект.

Цветоделительные пленки - еще один весьма полезный продукт пленочной индустрии. Уже говорилось о том, что подбором материалов (по коэффициентам преломления) и толщины пленок, можно воспроизвести самые разные фильтрующие функции. В частности, можно создать цветовой фильтр, отражающий красную R-составляющую белого луча и пропускающий зеленую G и голубую B. Второй фильтр, как показано на рис. 6б, разделяет эти компоненты на G и B. Примерно по такой же схеме строятся цветоделительные элементы современных видеопроекционных устройств. Цветоделительные системы на интерференционных светофильтрах выпускаются и для телевизионных камер.

Интерференция - это прежде всего теоретическая проблема оптики, однако интерференционные приборы находят широкое применение в разных областях техники, например, в измерительной - интерферометр Фабри-Перо, который обеспечивает точность измерения линейных размеров, меньших 10-12 м. В телевизионной оптике широко используется пленочное интерференционное покрытие в объективах, цветоделительных системах, светофильтрах.