Просветление оптики. Дифракционная решетка
Томас Юнг занялся разгадкой явления интерференции, привлеченный красочностью переливов света в тончайших мыльных и нефтяных пленках, в слюдяных и перламутровых пластинках.
Ему, вероятно, было бы трудно себе представить, что его потомки будут не только любоваться интерференцией тонких пленок, но и использовать ее в различных целях.
Из расчетов и опытов Юнга можно было сделать вывод, что в тех местах, где наблюдается черная полоса в картине интерференции, падающий луч определенной длины волны гасится лучом, отразившимся от внутренних границ пленки; прошедший же сквозь пленку луч усиливается за счет взаимодействия с лучами внутри пленки.
На это последнее обстоятельство не обращали внимания, видимо, более 100 лет.
И только в середине XX века ученые поняли, что, нанеся тончайшую интерференционную пленку на поверхность стекла или любого другого прозрачного вещества, можно значительно увеличить пропускание света этими материалами.
Процесс получил название «просветление оптики».
Каждая даже самая прозрачная линза из стекла отражает от обеих граней 8\% света. Но ведь в современных микроскопах, телескопах, кинокамерах, проекционных аппаратах может быть до 15—20 таких отражающих поверхностей.
Тончайшие интерференционные пленки могут пропустить внутрь кристалла или прибора лучи необходимых длин волн,окрасив отраженный свет в яркие цвета. Линзы биноклей с их помощью просветляются, становятся гораздо прозрачнее!
Подсчитайте, как мало света попадало бы, например, на белый экран в кинотеатре, если бы «просветление оптики» не было вовремя изобретено!
С просветляющими пленками легко познакомиться. Для этого достаточно посмотреть под небольшим углом на объектив фотоаппарата. По сине-фиолетовому отблеску стекла можно понять, что на его поверхность в процессе изготовления была нанесена тончайшая пленка кремнезема или фторида магния, пропустившая внутрь фотоаппарата зеленые лучи, к которым больше всего чувствителен наш глаз, и оставившая в отраженном световом потоке лишь синие и фиолетовые лучи.
Просветляющие пленки на стекле, конечно, прочнее и долговечнее мыльных и нефтяных пленок, которым они обязаны своим появлением на свет. Цвет просветленных стекол не меняется со временем, не зависит от внешних условий. Зыбкую и изменчивую интерференцию удалось остановить в самое прекрасное мгновение!
Не осталось без внимания исследователей и явление дифракции. Расплывчатая тень от проволоки и волоса в опытах Ньютона и узкие пучки от двух маленьких отверстий в экспериментах Юнга были окаймлены цветными полосами и кольцами. Обходя препятствия, слегка огибая края отверстий, свет разделялся на различные цвета.
А что, если тонкие щелевидные отверстия чередовать с узкими непрозрачными полосками?
Дифракционная решетка
Если через такую оптическую решетку пропустить свет, а за решеткой поставить дополнительную линзу, то цветоделительные свойства дифракции можно использовать для получения спектров любых источников излучения.
На экране, помещенном за новым оптическим инструментом, получившим название дифракционной решетки, можно было наблюдать удивительно яркие и чистые цвета спектра, не уступавшие полученным с помощью призмы.
Немецкий оптик Иозеф Фраунгофер в начале прошлого века впервые применил дифракционную решетку для анализа спектрального состава солнечных лучей. Свою первую оптическую решетку он сделал, наматывая тончайшую проволочку на два расположенных рядом винта.
Затем Фраунгофер изготовил более совершенную решетку, нанося штрихи на золотую пленку, покрывающую стекло.
Дифракционная решетка позволила Фраунгоферу не только получить спектр Солнца, но и обнаружить на фоне сплошного солнечного спектра узкие провалы — темные линии, возникшие из-за поглощения на пути к Земле части света, испускаемого поверхностью Солнца, возбужденными и ионизированными парами металлов в его атмосфере.
Вскоре ученые научатся делать решетки, у которых на длине в один миллиметр умещается более тысячи штрихов!
В историю науки войдут фраунгоферовы линии; оптики наряду с призмами станут все чаще использовать дифракционные решетки, а физики, химики и астрономы поймут, что можно, анализируя спектр излучения раскаленного вещества, узнать его химический состав, даже если это вещество звезд, удаленных от Земли на многие миллиарды километров…
Источник: Марк Колтун “Мир физики“.
