Anwendung von Interferenz, Dünnschichtinterferenz

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Heute sprechen wir über den Einsatz von Interferenzen in Wissenschaft und Alltag, enthüllen die physikalische Bedeutung dieses Phänomens und erzählen von der Geschichte seiner Entdeckung.

Definitionen und Verteilungen

Bevor Sie über die Bedeutung eines Phänomens in Natur und Technik sprechen, müssen Sie es zunächst definieren. Heute betrachten wir ein Phänomen, das Schulkinder im Physikunterricht studieren. Wenden wir uns daher, bevor wir die praktische Anwendung von Interferenzen beschreiben, dem Lehrbuch zu.

Zunächst sei darauf hingewiesen, dass dieses Phänomen für alle Arten von Wellen gilt: solche, die an der Wasseroberfläche oder während der Forschung entstehen. Interferenz ist also eine Zunahme oder Abnahme der Amplitude von zwei oder mehr kohärenten Wellen, die auftritt, wenn sie sich an einem Punkt im Raum treffen. Die Maxima heißen in diesem Fall Bäuche, die Minima Knoten. Diese Definition beinh altet einige Eigenschaften oszillatorischer Prozesse, die wir etwas später enthüllen werden.

Das Bild, das sich aus der Überlagerung von Wellen ergibt (und davon können viele sein), hängt nur von der Phasendifferenz ab, in der die Schwingungen auf einen Raumpunkt treffen.

Licht ist auch eine Welle

Wissenschaftler kamen bereits im 16. Jahrhundert zu diesem Schluss. Die Grundlagen der Optik als Wissenschaft wurden von dem weltberühmten englischen Wissenschaftler Isaac Newton gelegt. Er war es, der als erster erkannte, dass Licht aus bestimmten Elementen besteht, deren Menge seine Farbe bestimmt. Der Wissenschaftler entdeckte das Phänomen der Streuung und Brechung. Und er beobachtete als erster die Interferenz von Licht auf Linsen. Newton untersuchte solche Eigenschaften von Strahlen wie den Brechungswinkel in verschiedenen Medien, Doppelbrechung und Polarisation. Ihm wird die erste Anwendung der Welleninterferenz zum Wohle der Menschheit zugeschrieben. Und es war Newton, der erkannte, dass Licht all diese Eigenschaften nicht aufweisen würde, wenn es keine Vibrationen wäre.

Lichteigenschaften

Zu den Welleneigenschaften des Lichts gehören:

1. Wellenlänge. Dies ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Hochs eines Schwungs. Es ist die Wellenlänge, die die Farbe und Energie der sichtbaren Strahlung bestimmt.
2. Frequenz. Dies ist die Anzahl vollständiger Wellen, die in einer Sekunde auftreten können. Der Wert wird in Hertz ausgedrückt und ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge.
3. Amplitude. Dies ist die „Höhe“oder „Tiefe“der Schwingung. Der Wert ändert sich direkt, wenn sich zwei Schwingungen überlagern. Die Amplitude zeigt an, wie stark das elektromagnetische Feld gestört wurde, um diese bestimmte Welle zu erzeugen. Es stellt auch die Feldstärke ein.
4. Wellenphase. Dies ist der Teil der Schwingung, der zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht wird. Wenn sich zwei Wellen während der Interferenz am selben Punkt treffen, wird ihre Phasendifferenz in Einheiten von π ausgedrückt.
5. Kohärente elektromagnetische Strahlung wird mit aufgerufendie gleichen Eigenschaften. Die Kohärenz zweier Wellen impliziert die Konstanz ihrer Phasendifferenz. Es gibt keine natürlichen Quellen solcher Strahlung, sie werden nur künstlich erzeugt.

Erstantrag ist wissenschaftlich

Sir Isaac hat hart und hart an den Eigenschaften von Licht gearbeitet. Er beobachtete genau, wie sich ein Strahlenbündel verhält, wenn es auf ein Prisma, einen Zylinder, eine Platte und eine Linse aus verschiedenen lichtbrechenden transparenten Medien trifft. Einmal platzierte Newton eine konvexe Glaslinse auf einer Glasplatte mit einer gekrümmten Oberfläche nach unten und richtete einen Strom paralleler Strahlen auf die Struktur. Dadurch weichen von der Linsenmitte radial helle und dunkle Ringe ab. Der Wissenschaftler vermutete sofort, dass ein solches Phänomen nur beobachtet werden kann, wenn das Licht eine periodische Eigenschaft aufweist, die den Strahl irgendwo löscht und ihn im Gegenteil irgendwo verstärkt. Da der Abstand zwischen den Ringen von der Krümmung der Linse abhing, konnte Newton die Wellenlänge der Schwingung näherungsweise berechnen. Damit fand der englische Wissenschaftler erstmals eine konkrete Anwendung für das Phänomen der Interferenz.

Schlitzstörung

Weitere Studien zu den Eigenschaften des Lichts erforderten den Aufbau und die Durchführung neuer Experimente. Zunächst lernten die Wissenschaftler, wie man kohärente Strahlen aus ziemlich heterogenen Quellen erzeugt. Dazu wurde der Strom einer Lampe, Kerze oder Sonne mit optischen Geräten zweigeteilt. Wenn zum Beispiel ein Strahl in einem Winkel von 45 Grad auf eine Glasplatte trifft, dann ein Teil davonwird gebrochen und geht weiter, und ein Teil wird reflektiert. Wenn diese Ströme mit Hilfe von Linsen und Prismen parallel gemacht werden, ist die Phasendifferenz in ihnen konstant. Und damit bei den Experimenten das Licht nicht wie ein Fächer aus einer Punktquelle herauskam, wurde der Strahl mit einer Nahfokussieroptik parallelisiert.

Als die Wissenschaftler all diese Manipulationen mit Licht erlernten, begannen sie, das Phänomen der Interferenz an einer Vielzahl von Löchern zu untersuchen, einschließlich eines schmalen Schlitzes oder einer Reihe von Schlitzen.

Interferenz und Beugung

Die oben beschriebene Erfahrung wurde durch eine andere Eigenschaft des Lichts möglich - die Beugung. Beim Überwinden eines Hindernisses, das klein genug ist, um mit der Wellenlänge verglichen zu werden, kann die Schwingung ihre Ausbreitungsrichtung ändern. Aus diesem Grund ändert ein Teil des Strahls nach einem schmalen Schlitz die Ausbreitungsrichtung und interagiert mit Strahlen, die den Neigungswinkel nicht geändert haben. Daher können die Anwendungen von Interferenz und Beugung nicht voneinander getrennt werden.

Modelle und Realität

Bis hier haben wir das Modell einer idealen Welt verwendet, in der alle Lichtstrahlen parallel zueinander und kohärent sind. Außerdem wird in der einfachsten Beschreibung der Interferenz impliziert, dass Strahlungen mit denselben Wellenlängen immer angetroffen werden. Aber in Wirklichkeit ist nicht alles so: Licht ist meistens weiß, es besteht aus allen elektromagnetischen Schwingungen, die die Sonne liefert. Das bedeutet, dass Interferenzen nach komplexeren Gesetzmäßigkeiten auftreten.

Dünne Filme

Das offensichtlichste Beispiel dieser ArtWechselwirkung von Licht ist das Auftreffen eines Lichtstrahls auf einen dünnen Film. Wenn sich ein Tropfen Benzin in einer städtischen Pfütze befindet, schimmert die Oberfläche in allen Farben des Regenbogens. Und genau das ist das Ergebnis von Interferenzen.

Licht fällt auf die Oberfläche des Films, wird gebrochen, fällt auf die Grenze von Benzin und Wasser, wird reflektiert und erneut gebrochen. Dadurch trifft sich die Welle am Ausgang. Somit werden alle Wellen unterdrückt, außer denen, für die eine Bedingung erfüllt ist: Die Filmdicke ist ein Vielfaches einer halben ganzzahligen Wellenlänge. Am Ausgang trifft die Schwingung dann auf zwei Maxima. Wenn die Dicke der Beschichtung gleich der gesamten Wellenlänge ist, überlagert die Ausgabe das Maximum auf das Minimum und die Strahlung erlischt von selbst.

Daraus folgt, dass je dicker die Folie ist, desto größer muss die Wellenlänge sein, die verlustfrei aus ihr herauskommt. Tatsächlich hilft ein dünner Film, einzelne Farben aus dem gesamten Spektrum hervorzuheben, und kann in der Technik verwendet werden.

Fotoshootings und Gadgets

Seltsamerweise sind einige Anwendungen der Interferenz allen Fashionistas auf der ganzen Welt vertraut.

Die Hauptaufgabe eines schönen weiblichen Models ist es, vor den Kameras gut auszusehen. Ein ganzes Team bereitet Frauen auf ein Fotoshooting vor: Stylistin, Maskenbildnerin, Mode- und Innenarchitektin, Zeitschriftenredakteurin. Lästige Paparazzi können einem Model auf der Straße, zu Hause, in lustiger Kleidung und lächerlicher Pose auflauern und die Bilder dann öffentlich zur Schau stellen. Aber eine gute Ausrüstung ist für alle Fotografen unerlässlich. Einige Geräte können mehrere tausend Dollar kosten. UnterDie Hauptmerkmale solcher Geräte werden notwendigerweise die Erleuchtung der Optik sein. Und die Bilder von einem solchen Gerät werden von sehr hoher Qualität sein. Dementsprechend wird ein Star-Shot ohne Vorbereitung auch nicht so unattraktiv aussehen.

Brillen, Mikroskope, Sterne

Die Grundlage dieses Phänomens sind Interferenzen in dünnen Schichten. Dies ist ein interessantes und weit verbreitetes Phänomen. Und findet Lichtinterferenzanwendungen in einer Technik, die manche Menschen jeden Tag in ihren Händen h alten.

Das menschliche Auge nimmt die grüne Farbe am besten wahr. Daher sollten Fotos von schönen Mädchen in diesem speziellen Bereich des Spektrums keine Fehler enth alten. Wenn ein Film mit einer bestimmten Dicke auf die Oberfläche der Kamera aufgebracht wird, haben solche Geräte keine grünen Reflexionen. Wenn dem aufmerksamen Leser jemals solche Details aufgefallen sind, dann sollte ihm aufgefallen sein, dass nur rote und violette Reflexionen vorhanden sind. Der gleiche Film wird auf Brillengläser aufgetragen.

Aber wenn wir nicht über das menschliche Auge sprechen, sondern über ein leidenschaftsloses Gerät? Beispielsweise muss ein Mikroskop das Infrarotspektrum erfassen und ein Teleskop die ultravioletten Komponenten von Sternen untersuchen. Anschließend wird eine Antireflexfolie unterschiedlicher Dicke aufgebracht.