Toepassing van interferentie, dunnefilminterferentie

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Vandaag zullen we praten over het gebruik van interferentie in de wetenschap en het dagelijks leven, de fysieke betekenis van dit fenomeen onthullen en vertellen over de geschiedenis van de ontdekking ervan.

Definities en verdelingen

Alvorens te praten over de betekenis van een fenomeen in de natuur en technologie, moet je eerst een definitie geven. Vandaag beschouwen we een fenomeen dat schoolkinderen bestuderen in natuurkundelessen. Laten we daarom, voordat we de praktische toepassing van interferentie beschrijven, naar het leerboek gaan.

Om te beginnen moet worden opgemerkt dat dit fenomeen van toepassing is op alle soorten golven: golven die ontstaan op het wateroppervlak of tijdens onderzoek. Interferentie is dus een toename of afname van de amplitude van twee of meer coherente golven, die optreedt als ze elkaar op één punt in de ruimte ontmoeten. De maxima worden in dit geval antinodes genoemd en de minima worden knooppunten genoemd. Deze definitie omvat enkele eigenschappen van oscillerende processen, die we iets later zullen onthullen.

Het beeld dat ontstaat door golven op elkaar te plaatsen (en dat kunnen er veel zijn) hangt alleen af van het faseverschil waarin de oscillaties naar één punt in de ruimte komen.

Licht is ook een golf

Wetenschappers kwamen al in de zestiende eeuw tot deze conclusie. De basis van optica als wetenschap werd gelegd door de wereldberoemde Engelse wetenschapper Isaac Newton. Hij was het die voor het eerst besefte dat licht uit bepaalde elementen bestaat, waarvan de hoeveelheid de kleur bepa alt. De wetenschapper ontdekte het fenomeen dispersie en breking. En hij was de eerste die de interferentie van licht op lenzen observeerde. Newton bestudeerde eigenschappen van stralen als de brekingshoek in verschillende media, dubbele breking en polarisatie. Hij wordt gecrediteerd voor de eerste toepassing van golfinterferentie ten behoeve van de mensheid. En het was Newton die zich realiseerde dat als licht geen trillingen zou zijn, het niet al deze kenmerken zou vertonen.

Lichteigenschappen

De golfeigenschappen van licht omvatten:

1. Golflengte. Dit is de afstand tussen twee aangrenzende hoogtepunten van één schommel. Het is de golflengte die de kleur en energie van zichtbare straling bepa alt.
2. Frequentie. Dit is het aantal volledige golven dat in één seconde kan optreden. De waarde wordt uitgedrukt in Hertz en is omgekeerd evenredig met de golflengte.
3. Amplitude. Dit is de "hoogte" of "diepte" van de oscillatie. De waarde verandert direct wanneer twee oscillaties interfereren. De amplitude laat zien hoe sterk het elektromagnetische veld werd verstoord om deze specifieke golf te genereren. Het stelt ook de veldsterkte in.
4. Golffase. Dit is het deel van de oscillatie dat op een bepaald moment wordt bereikt. Als twee golven elkaar tijdens interferentie op hetzelfde punt ontmoeten, wordt hun faseverschil uitgedrukt in eenheden van π.
5. Coherente elektromagnetische straling wordt genoemd metdezelfde kenmerken. De coherentie van twee golven impliceert de constantheid van hun faseverschil. Er zijn geen natuurlijke bronnen van dergelijke straling, ze worden alleen kunstmatig gecreëerd.

Eerste aanvraag is wetenschappelijk

Sir Isaac werkte hard en hard aan de eigenschappen van licht. Hij observeerde precies hoe een stralenbundel zich gedraagt wanneer deze een prisma, een cilinder, een plaat en een lens van verschillende lichtbrekende transparante media tegenkomt. Newton plaatste ooit een bolle glazen lens op een glasplaat met een gebogen oppervlak naar beneden en richtte een stroom parallelle stralen op de structuur. Dientengevolge divergeren radiaal heldere en donkere ringen van het midden van de lens. De wetenschapper vermoedde meteen dat een dergelijk fenomeen alleen kan worden waargenomen als er een periodieke eigenschap in het licht is die de straal ergens dooft, en ergens, integendeel, deze versterkt. Omdat de afstand tussen de ringen afhing van de kromming van de lens, kon Newton de golflengte van de oscillatie bij benadering berekenen. Zo vond de Engelse wetenschapper voor het eerst een concrete toepassing voor het fenomeen interferentie.

Spleetinterferentie

Verder onderzoek naar de eigenschappen van licht vereiste het opzetten en uitvoeren van nieuwe experimenten. Ten eerste leerden wetenschappers hoe ze coherente bundels konden maken uit redelijk heterogene bronnen. Om dit te doen, werd de stroom van een lamp, kaars of zon in tweeën gedeeld met behulp van optische apparaten. Als een straal bijvoorbeeld een glasplaat raakt onder een hoek van 45 graden, dan is een deel ervanwordt gebroken en gaat door, en een deel wordt gereflecteerd. Als deze stromen parallel worden gemaakt met behulp van lenzen en prisma's, zal het faseverschil daarin constant zijn. En zodat het licht in de experimenten niet als een waaier uit een puntbron naar buiten kwam, werd de bundel parallel gemaakt met een close-focuslens.

Toen wetenschappers al deze manipulaties met licht leerden, begonnen ze het fenomeen van interferentie op verschillende gaten te bestuderen, waaronder een smalle spleet of een reeks spleten.

Interferentie en diffractie

De hierboven beschreven ervaring werd mogelijk dankzij een andere eigenschap van licht: diffractie. Door een obstakel te overwinnen dat klein genoeg is om te worden vergeleken met de golflengte, kan de oscillatie de richting van zijn voortplanting veranderen. Hierdoor verandert een deel van de bundel na een smalle spleet de voortplantingsrichting en interageert het met bundels die de hellingshoek niet veranderden. Daarom kunnen de toepassingen van interferentie en diffractie niet van elkaar worden gescheiden.

Modellen en werkelijkheid

Tot nu toe hebben we het model van een ideale wereld gebruikt waarin alle lichtstralen evenwijdig aan elkaar en coherent zijn. In de eenvoudigste beschrijving van interferentie wordt ook gesuggereerd dat straling met dezelfde golflengten altijd wordt aangetroffen. Maar in werkelijkheid is alles niet zo: licht is meestal wit, het bestaat uit alle elektromagnetische trillingen die de zon biedt. Dit betekent dat interferentie plaatsvindt volgens complexere wetten.

Dunne films

Het meest voor de hand liggende voorbeeld van dit soortinteractie van licht is de inval van een lichtstraal op een dunne film. Wanneer er een druppel benzine in een stadsplas v alt, glinstert het oppervlak met alle kleuren van de regenboog. En dit is precies het resultaat van interferentie.

Licht v alt op het oppervlak van de film, wordt gebroken, v alt op de grens van benzine en water, wordt gereflecteerd en weer gebroken. Hierdoor komt de golf zichzelf tegen bij de uitgang. Alle golven worden dus onderdrukt, behalve die waarvoor aan één voorwaarde is voldaan: de filmdikte is een veelvoud van een golflengte van een half geheel getal. Dan zal aan de uitgang de trilling zichzelf ontmoeten met twee maxima. Als de dikte van de coating gelijk is aan de hele golflengte, dan zal de output het maximum op het minimum leggen en zal de straling zichzelf doven.

Hieruit volgt dat hoe dikker de film, hoe groter de golflengte moet zijn die er zonder verlies uit zal komen. Een dunne film helpt zelfs om individuele kleuren uit het hele spectrum te benadrukken en kan worden gebruikt in technologie.

Fotoshoots en gadgets

Vreemd genoeg zijn sommige toepassingen van interferentie bekend bij alle fashionista's over de hele wereld.

De belangrijkste taak van een mooi vrouwelijk model is om er goed uit te zien voor de camera's. Een heel team bereidt vrouwen voor op een fotoshoot: een styliste, visagiste, mode- en interieurontwerper, tijdschriftredacteur. Vervelende paparazzi kunnen op straat, thuis, in grappige kleding en een belachelijke pose op een model wachten en de foto's vervolgens aan het publiek tonen. Maar goede apparatuur is essentieel voor alle fotografen. Sommige apparaten kunnen enkele duizenden dollars kosten. TussenDe belangrijkste kenmerken van dergelijke apparatuur zullen noodzakelijkerwijs de verlichting van optica zijn. En de foto's van zo'n apparaat zullen van zeer hoge kwaliteit zijn. Een sterrenopname zonder voorbereiding ziet er dan ook niet zo onaantrekkelijk uit.

Glazen, microscopen, sterren

De basis van dit fenomeen is interferentie in dunne films. Dit is een interessant en veel voorkomend fenomeen. En vindt lichtinterferentietoepassingen in een techniek die sommige mensen elke dag in hun handen houden.

Het menselijk oog neemt groene kleur het beste waar. Daarom mogen foto's van mooie meisjes geen fouten bevatten in dit specifieke deel van het spectrum. Als een film met een bepaalde dikte op het oppervlak van de camera wordt aangebracht, zal dergelijke apparatuur geen groene reflecties hebben. Als de oplettende lezer ooit zulke details heeft opgemerkt, dan zou hem de aanwezigheid van alleen rode en paarse reflecties zijn opgevallen. Dezelfde film wordt aangebracht op brilglazen.

Maar als we het niet over het menselijk oog hebben, maar over een passieloos apparaat? Een microscoop moet bijvoorbeeld het infraroodspectrum registreren en een telescoop moet de ultraviolette componenten van sterren bestuderen. Vervolgens wordt een antireflectiefilm van een andere dikte aangebracht.