Бипризма Френеля в оптике¶

Бипризма Френеля — оптическое устройство, состоящее из двух одинаковых призм с малым преломляющим углом, сложенных основаниями, которое применяется для разделения пучка света от одного источника на два когерентных пучка. Изобретена французским физиком Огюстеном Жаном Френелем в 1819 году и стала одним из ключевых инструментов волновой оптики, позволившим впервые получить устойчивую интерференционную картину от независимого источника света.

¶Устройство и принцип действия

Конструктивно бипризма представляет собой монолитную стеклянную пластину, у которой одна сторона плоская, а противоположная образована двумя плоскостями, сходящимися под тупым углом. Преломляющие углы обеих половин малы — обычно от 30 угловых минут до 1 градуса. Ось симметрии проходит через линию соприкосновения граней.

Свет от точечного источника, расположенного перед плоской гранью, проходит через стекло и преломляется на двух наклонных поверхностях. Поскольку каждая половина отклоняет лучи в противоположные стороны, за бипризмой образуются два перекрывающихся световых конуса. Каждый из них можно рассматривать как пучок, исходящий из мнимого изображения источника. Эти два мнимых изображения расположены симметрично относительно оси и являются когерентными, так как порождены одним и тем же реальным источником.

В области перекрытия пучков наблюдается интерференционная картина — система чередующихся светлых и тёмных полос, параллельных линии соприкосновения граней. Ширина полосы Δx определяется соотношением:

Δx = λL / d,

где λ — длина волны света, L — расстояние от мнимых источников до экрана, d — расстояние между мнимыми изображениями. Последнее зависит от преломляющего угла призмы, её показателя преломления и расстояния от источника до бипризмы.

¶История создания

Опыт с бипризмой был поставлен Френелем в 1819 году в рамках работ по обоснованию волновой теории света. К тому времени корпускулярная теория Ньютона ещё доминировала, а решающим аргументом в пользу волновой природы света считались интерференционные явления. Однако опыт Юнга с двумя щелями вызывал возражения: критики утверждали, что свет, проходя через разные щели, теряет когерентность и интерференция объясняется иначе.

Френель предложил схему, в которой оба интерферирующих пучка происходят буквально от одного и того же источника и разделяются только преломлением, без дифракции на краях. Это устранило возражения и дало чистое подтверждение волновой природы света. Опыт вошёл в историю физики как классический эксперимент, наряду с зеркалами Френеля и опытом Юнга.

¶Применение

Бипризма Френеля используется преимущественно в учебных и лабораторных целях.

• Демонстрация интерференции. В школьном и вузовском курсе оптики бипризма служит простым и наглядным способом показать образование когерентных пучков и интерференционных полос.
• Измерение длины волны. По измеренной ширине полосы и известным геометрическим параметрам установки вычисляют длину волны монохроматического света.
• Определение показателя преломления. Зная длину волны, из той же формулы находят показатель преломления стекла, из которого изготовлена бипризма.
• Проверка качества оптических поверхностей. В некоторых методиках бипризму применяют для контроля плоскостности и однородности стёкол.

В практических оптических приборах бипризма встречается редко: для разделения пучков обычно используют полупрозрачные зеркала, светоделительные кубики или дифракционные решётки, которые обеспечивают лучший контроль над интенсивностью и поляризацией.

¶Условия наблюдения интерференции

Для получения отчётливой картины необходимо соблюдение ряда условий.

1. Монохроматичность. Немонохроматический свет даёт наложение картин разных длин волн, что размывает полосы. Поэтому применяют светофильтры или лазеры.
2. Малый размер источника. Источник должен быть близок к точечному: протяжённый источник можно рассматривать как набор некогерентных точек, каждая из которых даёт свою систему полос, смещённую относительно других.
3. Достаточная длина когерентности. Разность хода лучей в области перекрытия не должна превышать длину когерентности используемого излучения.
4. Точная юстировка. Бипризму устанавливают так, чтобы её ребро было параллельно щели источника, а пучки перекрывались в плоскости экрана.

¶Связь с другими схемами

Бипризма Френеля относится к классу устройств для получения когерентных пучков путём деления волнового фронта. К этому же классу принадлежат зеркала Френеля, зеркало Ллойда и билинза Бийе. Альтернативный принцип — деление амплитуды — реализуется в интерферометре Майкельсона и связанных с ним схемах. Деление волнового фронта даёт менее контрастную картину и сильнее зависит от размеров источника, поэтому в прецизионных измерениях уступает амплитудным методам.

¶Особенности и ограничения

Основные достоинства бипризмы — простота, дешевизна и наглядность. К недостаткам относят чувствительность к ширине источника, невозможность независимой регулировки интенсивности пучков и ограниченную область перекрытия, что снижает яркость картины. Кроме того, из-за дисперсии стекла положение полос зависит от длины волны, что требует учёта при немонохроматическом освещении.

¶Значение

Опыт с бипризмой сыграл заметную роль в утверждении волновой теории света в XIX веке и до сих пор входит в стандартный набор демонстраций по волновой оптике. Он наглядно иллюстрирует фундаментальные понятия когерентности, разности хода и условий максимумов и минимумов, а также лежит в основе многих учебных лабораторных работ по измерению длины волны света.

Источники: учебники по общей физике (И. В. Савельев, Г. С. Ландсберг), курсы оптики М. Борна и Э. Вольфа, материалы по истории физики, посвящённые работам О. Ж. Френеля.