Newtonovy prsteny - Newtons rings - Wikipedia

Newtonovy prsteny pozorovány skrz a mikroskop. Nejmenší přírůstky na superponované stupnici jsou 100 μm. Osvětlení je zespodu, což vede k jasné centrální oblasti.
Newtonovy prsteny rušení vzor vytvořený a plano-konvexní čočka osvětleno 650 nm červeně laser světlo, fotografováno za slabého osvětlení mikroskop. Osvětlení je shora, což vede k temné centrální oblasti.
Experimentální nastavení: a konvexní čočka je umístěn na rovném povrchu.

Newtonovy prsteny je jev, ve kterém rušení vzor je vytvořen odraz z světlo mezi dvěma povrchy; A sférický povrch a sousední dotýkající se plochý povrch. Je pojmenován po Isaac Newton, který zkoumal účinek ve svém pojednání z roku 1704 Opticks. Při pohledu na jednobarevné světlo, Newtonovy prstence se jeví jako řada soustředných, střídajících se jasných a tmavých prstenů se středem v bodě dotyku mezi dvěma povrchy. Při pohledu na bílé světlo tvoří soustředný prstencový vzor duhových barev, protože jiný vlnové délky světla interferují při různých tloušťkách vzduchové vrstvy mezi povrchy.

Jev

Tento jev poprvé popsal Robert Hooke ve své knize z roku 1664 Mikrografie, i když jeho název je odvozen od fyzika sira Isaaca Newtona, který jej jako první analyzoval.

Teorie

Detailní záběr na část horního skla na optické ploše, ukazující, jak se vytvářejí interferenční proužky. Na pozicích, kde se rozdíl délky dráhy rovná lichému násobku (2n + 1) poloviční vlnové délky (A), odražené vlny zesilují, což vede k jasnému bodu. V pozicích, kde se rozdíl délky dráhy rovná sudému násobku (2n) poloviční vlnové délky b), (Lambda o 2)odražené vlny se ruší a výsledkem je tmavá skvrna. Výsledkem je vzor soustředných světlých a tmavých prstenců, interferenčních proužků.
Newtonovy prsteny viděné ve dvou plano-konvexní čočky s plochými povrchy v kontaktu. Jeden povrch je mírně konvexní a tvoří prstence. V bílém světle jsou prstence duhové barvy, protože různé vlnové délky každé barvy interferují na různých místech.

Vzor je vytvořen umístěním velmi mírně konvexní zakřivené sklo na optický plochý sklenka. Tyto dva kusy skla se dotýkají pouze ve středu, v ostatních bodech je mezi oběma povrchy mírná vzduchová mezera, která se zvyšuje s radiální vzdáleností od středu k mikroskopu. Diagram vpravo ukazuje malou část těchto dvou částí, přičemž mezera se zvětšuje zprava doleva. Světlo z a jednobarevný (jednobarevný) zdroj prosvítá horním dílem a odráží se jak od spodního povrchu horního dílu, tak od horního povrchu optické plošky, a dva odražené paprsky se kombinují překrýt. Paprsek odrážející se od spodního povrchu však cestuje delší cestou. Dodatečná délka dráhy se rovná dvojnásobku mezery mezi povrchy. Kromě toho paprsek odrážející se od spodního kusu skla prochází fázovým obrácením o 180 °, zatímco vnitřní odraz druhého paprsku ze spodní strany horního skla nezpůsobí žádné obrácení fáze. Jas odraženého světla závisí na rozdílu v délce dráhy dvou paprsků:

  • Konstruktivní interference (a): V oblastech, kde se rozdíl délky dráhy mezi dvěma paprsky rovná lichému násobku půl a vlnová délka (λ / 2) světelných vln, budou odražené vlny ve fázi, takže „žlaby“ a „vrcholy“ vln se shodují. Proto budou vlny zesilovat (přidávat) a výsledná intenzita odraženého světla bude větší. Výsledkem je, že tam bude pozorována světlá oblast.
  • Destruktivní rušení (b): Na jiných místech, kde se rozdíl délky dráhy rovná sudému násobku poloviční vlnové délky, budou odražené vlny 180 ° z fáze, takže „koryto“ jedné vlny se shoduje s „vrcholem“ druhé vlny. Proto se vlny zruší (odečtou) a výsledná intenzita světla bude slabší nebo nulová. Výsledkem bude tmavá oblast. Kvůli 180 ° fázovému obrácení v důsledku odrazu spodního paprsku je střed, kde se oba kusy dotýkají, temný.

Výsledkem tohoto rušení je vzor jasných a tmavých čar nebo pásů nazývaných „interferenční proužky"být pozorován na povrchu. Jedná se o podobné vrstevnice na mapách, odhalující rozdíly v tloušťce vzduchové mezery. Mezera mezi povrchy je konstantní podél okraje. Rozdíl délky dráhy mezi dvěma sousedními světlými nebo tmavými třásněmi je jedna vlnová délka λ světla, takže rozdíl v mezeře mezi povrchy je poloviční vlnová délka. Protože vlnová délka světla je tak malá, může tato technika měřit velmi malé odchylky od plochosti. Například vlnová délka červeného světla je asi 700 nm, takže při použití červeného světla je výškový rozdíl mezi dvěma třásněmi poloviční nebo 350 nm, což je asi 1/100 průměru lidského vlasu. Protože mezera mezi brýlemi se zvyšuje radiálně od středu, vytvářejí interferenční proužky soustředné prstence. U skleněných povrchů, které nejsou sférické, nebudou třásně prsteny, ale budou mít jiné tvary.

Pro osvětlení shora, s tmavým středem, poloměr Nth jasný prsten je dán

kde N je číslo jasného kruhu, R je poloměr zakřivení skleněné čočky, kterou světlo prochází, a λ je vlnová délka světla.

Výše uvedený vzorec platí také pro tmavé prstence pro vzor prstenců získaný procházejícím světlem.

Zvažte dopadající světlo na rovinu roviny konvexní čočka který se nachází na opticky plochý skleněný povrch dole. Světlo prochází skleněnou čočkou, dokud nedojde k hranici skleněného vzduchu, kde procházející světlo prochází z vyššího indexu lomu (n) hodnota na nižší n hodnota. Procházející světlo prochází touto hranicí beze změny fáze. Odražené světlo (asi 4% z celkového počtu) také nemá žádnou fázovou změnu. Světlo, které se přenáší do vzduchu, cestuje na dálku, t, než se odrazí na rovném povrchu dole; odraz na hranici vzduch-sklo způsobí polocyklový fázový posun, protože vzduch má nižší index lomu než sklo. Odražené světlo na spodní ploše vrací vzdálenost (opět) t a přechází zpět do objektivu. Dva odražené paprsky budou interferovat podle celkové fázové změny způsobené zvláštní délkou dráhy 2t a fázovou změnou v polovině cyklu vyvolanou odrazem na spodním povrchu. Když je vzdálenost 2t je menší než vlnová délka, vlny destruktivně interferují, a proto je centrální oblast vzoru tmavá.

Podobná analýza pro osvětlení zařízení zespodu namísto shora ukazuje, že v takovém případě je střední část vzoru jasná, nikoli tmavá. (Tento rozdíl uvidíte porovnáním uvedených příkladů obrázků.)

Vzhledem k radiální vzdálenosti jasného prstence r, a poloměr zakřivení čočky, R, vzduchová mezera mezi skleněnými povrchy, t, je dána dobrou aproximací od

kde je účinek sledování vzoru v úhlu šikmém k dopadajícím paprskům ignorován.

Tenkovrstvá interference

Hlavní článek: Tenkovrstvá interference

Fenomén Newtonových prstenů je vysvětlen na stejném základě jako rušení tenkého filmu, včetně efektů jako „duhy“ viditelné v tenkých vrstvách oleje na vodě nebo v mýdlových bublinách. Rozdíl je v tom, že zde je „tenký film“ tenká vrstva vzduchu.

Další čtení

  • Airy, G.B. (1833). „VI. Na phænomena Newtonových prstenů, když jsou vytvořeny mezi dvěma průhlednými látkami různých refrakčních schopností“. Filozofický časopis. Řada 3. 2 (7): 20–30. doi:10.1080/14786443308647959. ISSN  1941-5966.
  • Illueca, C .; Vazquez, C .; Hernandez, C .; Viqueira, V. (1998). "Použití Newtonových prstenů pro charakterizaci očních čoček". Oční a fyziologická optika. 18 (4): 360–371. doi:10.1046 / j.1475-1313.1998.00366.x. ISSN  0275-5408. PMID  9829108. S2CID  222086863.
  • Dobroiu, Adrian; Alexandrescu, Adrian; Apostol, Dan; Nascov, Victor; Damian, Victor S. (2000). Msgstr "Vylepšená metoda zpracování Newtonových prstencových okrajových vzorů". V Necsoiu, Teodor; Robu, Maria; Dumitras, Dan C (eds.). SIOEL '99: Šesté sympozium o optoelektronice. Řízení. 4068. str. 342–347. doi:10.1117/12.378693. ISSN  0277-786X.
  • Tolansky, S. (2009). „XIV. Nové příspěvky k interferometrii. Část II - Nové interferenční jevy s Newtonovými prsteny“. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 35 (241): 120–136. doi:10.1080/14786444408521466. ISSN  1941-5982.

externí odkazy