background image

9. Optyka  

9.3. Interferencja w cienkich warstwach. 

Światło odbijając się od ośrodka optycznie gęstszego ( o większym n) zmienia fazę. 

Natomiast gdy odbicie zachodzi od powierzchni ośrodka optycznie rzadszego, fala odbija się 

bez zmiany fazy. 

Wyobrażenie mechaniczne 

 

 

n

S

 

 

 

              Długość fali w warstwie  

n

n

λ

λ

=

 

2

2

n

m

d

n

λ

λ

+

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Różnica dróg optycznych promieni: załamanego i 

odbitego 

d

2

=

Δ

 

Dla zmiany fazy 

2

n

λ

π

ϕ

=

 

⎛ +

=

+

=

2

1

2

2

m

n

n

n

m

d

λ

λ

λ

 

Czyli 

⎛ +

=

2

1

2

m

dn

λ

 

Maksimum interferencyjne: 

Minimum interferencyjne:  2dn = m

λ

   gdzie 

m = 0, 1, 2, …  - rząd widma 

background image

Ponieważ z punktu S wychodzą fale spójne, to dla oka maksimum/minimum interferencyjne 

jest obrazem punktu P

Przykład

1. Obliczyć długość fali (kolor) plamy oleju (lub bańki mydlanej), o grubości 350 nm 

j światłem białym padającym prostopadle do jej powierzchni.  

λ

światła białego 

 400 

÷

 

 

 

 

 

 

oświetlone

700 nm.   n = 1,33  

2dn = m

λ

 

 

1

+

=

2

2

m

dn

λ

 

 

max. 

λ

 = 4 dn 

 

λ

 = 1862 nm 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 0   

 

 

 

 

 

 

 

 

Kolor czerwony 

Plama oleju 

 

 min. 

     m 

 max. 

λ

 =2dn 

 

λ

 = 931 nm 

 

 

 

 

nm

621

3

=

=

λ

λ

 (cz

dn

4

erwony) 

 max. 

 

 min. 

     

λ

 = dn 

 

λ

 = 465 nm 

nm

372

5

=

=

λ

λ

 (po

dn

4

za 

zakresem widzialnym) 

 
2. Jaka jest głębokość rowka w płycie CD ? 

n

d

m

4

0

λ

=

=

 max 

n = 1,33   

λ

 

 70

⇒ d = 132 nm = 0,13 μm 

 

0 nm  

Filtry 

 Promień 1 odbija się od 

powierzchni filtra ze zmianą fazy, 

 2. 

jało 

 

 

 

interferując z promieniem

Jaka ma być grubość filtra, aby 

szkło pokryte filtrem nie odbi

 

światła ? 

 

 

  

       n

1

 = 1 

           filtr 
 

zmiana fazy 

 

   n

2

 = 1,4 

 

        szkło 

  

powietrze 

= 98,2nm

 n

3

 = 1,5 

background image

Minimum interferencyjne dla promienia odbitego od dolnej powierzchni filtra: 

d = (nieparzysta liczba) 

λ/2: 

2

⎛ +

λ

2

1

m

 

=

=

2

0

dn

m

nm

n

d

2

,

98

4

,

1

4

550

4

=

=

=

λ

 

Inne zastosowania: 

- pomiary grubości cienkich warstw i powłok, 

tyzujące. 

.4. Dyfrakcja na 1 szczelinie i na 2 szczelinach.  

         Dyfrakcja Fresnela

- filtry monochroma

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

                       

 

Ekran jest w skończonej 

, czoła 

łe. 

odległości od otworu

 

fal padających na otwór i 

ugiętych nie są płaskie, 

promienie nie są równoleg

 

Dyfrakcja Farunhofera 

Ekran w dużej odległości od 

 

aunchofera przy 

łe. 

szczeliny, czoła fal 

padających i ugiętych są 

płaskie, a promienie

równoległe. 

Praktyczna realizacja 

dyfrakcji    Fr

pomocy soczewek, prz

niewielkiej odległości ekranu 

od szczeliny uginającej. 

Promienie padające i ugięte 

na szczelinie są  równoleg

background image

 

akcji Fresnela. 

Dyfrakcja Fraunchofera jest granicznym przypadkiem dyfr

 

 

 

 

 

 

 

 

2

sin

1

λ

2

θ

=

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

θ

=

⋅sin

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dla  a = 

λ

    

    

θ

 = 90

0

  

1-sze minimum 

la 

pojedyn

szczeliny: 

 sin

θ

 … 

 

 

 

 

 

 

 

 

        D

czej 

        warunek 

na 

minimum 

a

 = m

λ

    m = 1, 2,

warunek na maksimum 

(

)

2

1

2

sin

λ

θ

+

=

m

a

    m = 1, 2, … 

Dzielimy szczelinę na N jednakowych stref, z których każd

nej fali o 

amplitudzie 

Δ

E

θ

. Dodając poszczególne wskazy otrzymamy amplitudę fali wypadkowej E .

Natężenie światła  

 

-  

dodawanie zaburzeń falowych o stałej amplitudzie

 

         kierunki kolejnych wskazów   tworzą   

         ze sobą kąt 

ΔΦ

, amplituda  

       

 w    

lituda   

      E

θ

 jest równa zero. Różnica faz  

      między pierwszym i ostatnim  

a jest źródłem elementar

θ

 

 

 

 

 

 

 

      - dla centralnego maksimum,  

 różnica faz między sąsiednimi 

 falami jest równa zero. 

 

- dla punktu leżącego blisko osi,

  wypadkowa E

θ

 jest mniejsza, niż

         poprzednim przypadku. 

 

 

      - pierwsze minimum,  amp

  

  

        wskazem wynosi 

Φ

 = 2

π

background image

  

zwiększaniu kąta 

θ

, kąt 

ΔΦ

ększa i krz

- przy dalszym 

  

również się zwi

ywa diagramu się 

 

Geom

e

zwija, zmniejszając E

θ

 

nia światła. 

etryczna konstrukcja obliczania natęż

R

E

m

=

φ

 - różnica fazy między skrajnymi 

ami biegnącymi z góry i dołu szczeliny. 

wskazami łuku, czyli różnica fazy między 

promieni

2

sin

2

2

n

θ

=

R

E

 

si

2

φ

φ

φ

=

R

E

2

sin

φ

φ

φ

θ

m

m

E

E

E

R

=

=

 

2

Podstawiając   

2

φ

α

=

  

otrzym emy

 

uj

α

α

θ

sin

m

E

E

=

 

Natężenie    I

θ

 

2

θ

E

 

2

sin

=

α

α

θ

m

I

I

 

więc  

3

2

1

Δ

=

=

Δ

θ

λ

π

φ

λ

π

φ

sin

2

a

 

2

θ

λ

π

φ

α

2

=

sin

a

=

 

I

θ

 

  minimum dla 

α

 = m

⋅π

   gdzie m = 1, 2, 3, … 

I

θ

 

  maksimum dla 

π

α

⎛ +

=

2

1

m

 

Względne natężenie w obrazie dyfrakcyjnym dla różnych szerokości szczeliny. 

background image

Obliczyć natężenia trzech kolejnych maksimów dla dyfrakcji Fraunhofera. 

π

α

⎛ +

=

2

1

m

        m = 1, 2, 3. 

 

2

2

1

2

1

sin

⎛ +

⎛ +

=

π

π

θ

m

m

I

I

m

 

2

2

2 ⎠

1

1

π

θ

⎛ +

=

m

I

I

m

 

045

,

0

1

=

I

I

θ

;  

016

,

0

2

=

I

I

θ

;  

083

,

0

3

=

I

I

θ

 

 

9.4. Dyfrakcja na 1 szc

Interferencja i dyfrakcja na 2 szczelinach

zelinie i na 2 szczelinach.

 

ąskie szczeliny) w wyniku dyfrakcji otrzymuje się 

ści szczelin: 

   gdzie   

Przy założeniu 

λ

 >> a (nieskończenie w

prążki o jednakowym natężeniu. 

β

θ

2

cos

m

I

I

=

θ

λ

π

β

sin

d

=

 

Rzeczywiste szeroko

(

)

2

2

sin

cos

=

α

α

β

θ

m

I

I

 

Wypadkowy efekt: 

Wykres natężenia dla dyfrakcji na pojedynczej 
szczelinie o szerokości a

 

 

Rozkład natężeń w obrazie interferencyjnym dwóch 

j szerokości a.  

Poprzedni wykres jest obwiednią wykresu dla 2 

ykres natężeń w obrazie dwóch szczelin o 

ieskończenie małej szerokości a << 

λ

 

szczelin o skończone

szczelin. 

 

W
n

background image

9.5.  Siatka dyfrakcyjna. 

Układ N równoległych szczelin o szerokości a << 

λ

 

λ

θ

m

d

=

⋅sin

  

interferencyjne 

gdzie m = 0, 1, 2,…   - maksima 

Wykres natężenia w funkcji kąta 

θ

 dla: 

a) dwóch szczelin – szerokie prążki, 

b) sześciu szczelin – węższe prążki. 

•  Nie zmienia się odległość między głównymi 

mi; 

ównych nie zależą od N

N

 maksima 

wtórne. 

Kątowa szerokość połówkowa: 

maksima

•  Położenia maksimów gł
•  Ze wzrostem liczby szczelin   zwężają się maksima główne i powstają

λ

m

m

Nd

θ

θ

cos

=

Δ

  

dla    m = 0    

Nd

λ

θ

Δ

la 

go maksimum głównego. 

Zdolność rozdzielcza siatki d

=

0

 

•  Różnica faz między falami wychodzącymi z sąsiednich szczelin równa jest zeru d

środkowe

 

yfrakcyjnej  

λ

λ

Δ

=

R

 

 

gdzie: 

λ

 jest średnią długością fali 2 linii widmowych ledwie rozróżnialnych, 

 

Δλ

 jest różnicą długości tych fal. 

Dyspersja kątowa 

λ

θ

d

d

D

=

  jest to odległość kątowa 2 linii widmowych 

background image

Skoro 

λ

θ

m

d

=

⋅sin

 

S

niczkując: 

tąd róż

λ

θ

θ

d

m

d

=

cos

d

 

λ
θ

θ

d

d

m

=

cos

 

oraz      

d

m

λ

Nd

m

m

θ

θ

Δ

=

cos

  

więc stąd otrzymujemy: 

Nd

d

d

d

d

m

=

θ

λ

θ

λ

 

A więc zdolność rozdzielcza  

m

N

d

R

=

=

λ

λ

 

Przykład:  

1.  Siatka dyfrakcyjna o N = 8000 szczelin na 2,54 cm długości siatki (stąd stała siatki d = 

3170 nm), jest oświetlana światłem białym. 

    

θ = 0

0

   wszystkie d

ści fal są nałożone na siebie 

m = 1      

λ

 = 400 nm 

d

sin

θ

 = m

λ

  dla    m = 0    

ługo

0

3

,

7

3170

400

arcsin

=

=

d

1

arcsin

=

λ

θ

dla   

λ

 = 700 nm    

θ

1

 = 12,8

0

2.  Trzy różne siatki dyfrakcyjne oświetlono światłem o długości 

λ

 = 589 nm. Dla m = 1 

 

 

 

jest: 

20000

589

=

=

Δ

R

λ

λ

 

można rozróżnić 

fale o 

Δλ

 = 0,0289 nm

 

 

 

Siatka N 

θ

 

 

[

⋅10

-3

 deg/nm]

[nm] [deg]

A 10 

000 

2540 13,4

0

10 000

0,232 

B 20 

000 

2540 13,4

0

20 000

0,232 

C 10 

00 

1370 25,5

0

10 000

0,464 

0

background image

 

K

a la światła o dwóch długościach 

fali 

λ

1

 pobli u linii o długości 

λ

 = 589 nm, 

przec

go przez siatki opisane w tabeli. 

 

Siatka B ma największą zdolność rozdzielczą, ma 
węższe linie i przy jej pomocy można rozróżnić linie, 
których długości fal są bardziej zbliżone do siebie, 
natomiast 

atka C ma największą dyspersję – daje większą 

 

 

 

 

 

rzywe natężeni  d

ż

 i 

λ

2

 w

hodzące

si
odległość kątową między liniami.