Введение
Оптическое явление
Кольца Ньютона — это явление, при котором возникает интерференционная картина в результате отражения света между двумя поверхностями, как правило, сферической и прилегающей к ней плоской. Оно названо в честь Исаака Ньютона, исследовавшего этот эффект в 1666 году. При наблюдении в монохроматическом свете кольца Ньютона выглядят как серия концентрических, чередующихся светлых и темных колец, центрированных в точке контакта между двумя поверхностями. При наблюдении в белом свете они образуют концентрический кольцевой узор из цветов радуги, поскольку различные длины волн света интерферируют при разной толщине воздушного слоя между поверхностями.
История
Этот феномен впервые был описан Робертом Гуком в его книге Micrographia, опубликованной в 1665 году. Его название происходит от имени математика и физика сэра Исаака Ньютона, который изучал это явление в 1666 году, находясь в изоляции в своем доме в Линкольншире во время Великой чумы, из-за которой был закрыт Тринити-колледж в Кембридже. Он зафиксировал свои наблюдения в эссе под названием «О цвете». Это явление стало предметом споров между Ньютоном, сторонником корпускулярной природы света, и Гуком, который склонялся к волновой природе света. Ньютон опубликовал свой анализ лишь после смерти Гука, включив его в свой трактат «Оптика», опубликованный в 1704 году.
Теория
Образец создается путем размещения очень слегка выпуклого изогнутого стекла на оптической плоской пластине. Два куска стекла соприкасаются только в центре. В остальных точках между двумя поверхностями имеется небольшой воздушный зазор, увеличивающийся с радиальным расстоянием от центра, как показано на рис. 3. Рассмотрим монохроматический (одноцветный) свет, падающий сверху, который отражается как от нижней поверхности верхней линзы, так и от верхней поверхности оптической пластины, расположенной ниже. Свет проходит через стеклянную линзу, пока не достигнет границы стекло-воздух, где проходящий свет переходит от более высокого значения показателя преломления (n) к более низкому значению n. Проходящий свет пересекает эту границу без изменения фазы. Отраженный свет, испытывающий полное внутреннее отражение (около 4% от общего количества), также не претерпевает изменения фазы. Свет, проходящий в воздух, проходит расстояние t, прежде чем отразится от плоской поверхности внизу. Отражение на этой границе воздух-стекло вызывает фазовый сдвиг в полцикла (180°), поскольку показатель преломления воздуха ниже, чем у стекла. Отраженный свет от нижней поверхности возвращается на расстояние (опять же) t и проходит обратно в линзу. Дополнительная длина пути равна удвоенному зазору между поверхностями. Два отраженных луча будут интерферировать в зависимости от общего изменения фазы, вызванного дополнительной длиной пути 2t и фазовым сдвигом в полцикла, возникающим при отражении от плоской поверхности. Когда расстояние 2t равно нулю (линза касается оптической пластины), волны интерферируют деструктивно, поэтому центральная область рисунка темная, как показано на рис. 2. Аналогичный анализ для освещения устройства снизу, а не сверху, показывает, что в этом случае центральная часть рисунка яркая, а не темная, как показано на рис. 1. Когда свет не монохроматический, радиальное положение интерференционной картины имеет вид "радуги", как показано на рис. 5.
Конструктивное вмешательство
(Рисунок 4а): В областях, где разница в длине пути между двумя лучами равна нечетному числу, умноженному на половину длины волны (λ/2) световых волн, отраженные волны будут синфазны, то есть впадины и выступы волн будут совпадать. В результате волны будут усиливать друг друга (интерферировать конструктивно), и результирующая интенсивность отраженного света будет выше. Следовательно, в этих областях будет наблюдаться светлая область.
Деструктивные помехи
(Рисунок 4b): В других местах, где разность хода равна целому числу, кратному половине длины волны, отраженные волны будут сдвинуты по фазе на 180°, так что "впадина" одной волны совпадает с "гребнем" другой. В этом случае волны будут гасить друг друга (вычитаться), и результирующая интенсивность света будет уменьшаться или станет равной нулю. В результате там будет наблюдаться темная область. Из-за фазового сдвига в 180° при отражении от нижней поверхности, точка касания двух частей будет темной. Эта интерференция приводит к появлению на поверхности чередующихся светлых и темных линий или полос, называемых "интерференционными полосами". Они аналогичны линиям уровня на картах, показывая различия в толщине воздушного зазора. Расстояние между поверхностями постоянно вдоль интерференционной полосы. Разность хода между двумя соседними светлыми или темными полосами равна одной длине волны λ света, следовательно, разница в расстоянии между поверхностями составляет половину длины волны. Поскольку длина волны света очень мала, эта техника позволяет измерять очень небольшие отклонения от плоскостности. Например, длина волны красного света составляет около 700 нм, поэтому при использовании красного света разница в высоте между двумя полосами составит половину этого значения, то есть 350 нм, что примерно в 1/100 раза меньше диаметра человеческого волоса. Поскольку воздушный зазор между стеклами увеличивается радиально от центра, интерференционные полосы образуют концентрические кольца. Для стеклянных поверхностей, не обладающих осевой симметрией, полосы не будут иметь вид колец, а приобретут другую форму.
Механические помехи тонкой пленки
Феномен колец Ньютона объясняется по тем же принципам, что и интерференция в тонких плёнках, включая такие эффекты, как "радуги", видимые в тонких плёнках масла на воде или в мыльных пузырях. Отличие состоит в том, что в данном случае "тонкой плёнкой" является тонкий слой воздуха.