Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Своеобразной модификацией интерферометра Фабри—Перо является сферический интерферометр, который был введен в практику спектроскопии П. Конном. Этот интерферометр состоит из двух вогнутых зеркал одинакового радиуса кривизны, расположенных так, что фокусы зеркал совмещены — «конфокальная» установка.
Мы упоминаем о сферическом интерферометре, так как он послужил прототипом современного резонатора для газового лазера. Вопрос о внедрении радиофизических понятий в оптику представляет несомненный интерес. А.М. Прохоров, по-видимому, первым указал, что интерферометр Фабри—Перо является своеобразным резонатором высокой добротности для оптического диапазона. Первый газовый лазер, осуществленный в 1961 г. Джаваном и др., представлял газоразрядную трубку с неон-гелиевой смесью, помещенную внутрь интерферометра с плоскими зеркалами с очень высоким коэффициентом отражения (Л > > 99%). В последующих экспериментах был использован резонатор со сферическими зеркалами, так как в этом случае необходимая точность юстировки и требования к точности обработки
См.: Калитеевский Н.ИЧайка М.П. Интерферометр Фабри-Перо и некоторые приложения его в спектроскопии/ В сб.: Спектроскопия плазмы. М., 1969.
252
зеркал значительно ниже, а стабильность системы заметно выше. Теперь почти все газовые лазеры имеют резонаторы со сферическими зеркалами, причем соотношение радиусов кривизны зеркал варьируется в широких пределах. При этом получается несколько большая расходимость лазерного излучения, чем в резонаторе с плоскими зеркалами, что легко исправить фокусирующей системой.
Теорией оптических резонаторов занимаются многие ученые. При ее построении необходим учет потерь света, выходящего при многократных отражениях за пределы зеркал резонатора (дифракционные потери; см. гл. 6). Она существенно отличается от элементарной теории интерферометра Фабри—Перо, в которой надобность в учете дифракционных потерь возникает лишь в тех редких случаях, когда отношение расстояния между зеркалами к их диаметру достаточно велико.
В заключение остановимся на принципе действия интерференционных фильтров, получивших за последние годы широкое распространение. Интерференционный фильтр — это устройство, позволяющее пропустить значительную часть светового потока в определенной узкой области длин волн. Ширина полосы пропускания 8Х обычно составляет несколько десятков ангстрем. Принцип действия подобного фильтра понятен, если представить себе интерферометр Фабри—Перо с очень малым расстоянием I между пластинами .
Для получения необходимых оценок обратимся к выражениям (5.74) и (5.77):
I = тХ/2 = Х2/(2АХ).
Если, например, область свободной дисперсии ДА. =
= 250А, X * 5000А, то I ~
« 5•10-4 см.
Итак, толщина I интерферометра оказалась совсем небольшой. Она составляет около десятка длин волн X. Такой интерферометр эквивалентен фильтру, пропускающему излучение в интервале ЪХ вблизи длины волны X.
Однако изготовить интерференционный фильтр совсем не просто, особенно если необходимо подогнать толщину I так, чтобы фильтр преимущественно пропускал свет вблизи заданной длины волны ^о- Следует также учитывать, что интерферометр подобного типа будет пропускать свет не только с длиной волны, близ-
5.64. Полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо малой толщины, используемого в качестве интерференционного фильтра
Все побочные максимумы (A.q ± ПАЯ., где П — 1, 2, 3, ...) гасятся стеклянными фильтрами
253
кой к Ао, но и близкой к А-о ± ДА, Ао ± 2ДА и т. д. Иными словами, возникает система максимумов (рис. 5.64), ширина 5А которых в основном определяется коэффициентом отражения зеркал интерферометра. Побочные максимумы обычно гасят подбором соответствующих стеклянных фильтров, что, конечно, приводит к потере части светового потока в основной полосе. Так, при 5А = 50А редко удается пропустить более 70% излучения, хотя для изготовления фильтров, как правило, используются непоглощающие диэлектрические слои, для которых, как известно, (/Пр//Пад) —*¦ 1 • Отделение побочных максимумов затрудняет получение интерференционных фильтров с очень малой шириной полосы пропускания. Если использовать в качестве такого фильтра интерферометр Фабри—Перо с толщиной I я 5 мм, то необходимо отделить максимумы, отстоящие один от другого на ДА я 0,25А, что практически невозможно.
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
Глава 6
Изучение распределения освещенности на границе между светом и тенью от предметов различной формы уже давно привело ученых к представлению о возможности огибания препятствий светом. Впервые на эти явления обратил внимание Леонардо да Винчи (1452—1519), в 1665 г. более подробно описал Гарибальди. Впрочем, их наблюдения, по-видимому, не были известны Гюгенсу, так как он не воспользовался ими в своей монографии, относящейся к 1678 г.
Но значение дифракции света отнюдь не исчерпывается исследованием таких переходных областей. В оптике неизбежно возникает проблема, как согласовать волновую теорию, прекрасно оправдавшую себя при объяснении широкого класса задач, с безусловной справедливостью положений геометрической оптики, оперирующей представлениями о прямолинейно распространяющихся лучах света. Казалось бы, во многих случаях повседневный опыт вступает в противоречие с данными теории. Мы увидим, что развитая Френелем, Кирхгофом и другими теория дифракции полностью объясняет эти парадоксы и в ней вскрывается предельный переход от волновой к геометрической оптике.
