Зеркало Ллойда

Зеркало Ллойда — оптический эксперимент, впервые описанный в 1834 году Хамфри Ллойдом в «Трудах Королевской Ирландской академии» . [1] Его первоначальной целью было предоставить дополнительные доказательства волновой природы света , помимо тех, что были предоставлены Томасом Янгом и Огюстеном-Жаном Френелем . В этом эксперименте свет от монохроматического щелевого источника отражается от стеклянной поверхности под небольшим углом и в результате кажется исходящим от виртуального источника . Отраженный свет интерферирует с прямым светом от источника, образуя интерференционные полосы. [2] [3] Это оптический волновой аналог морского интерферометра . [4]

Настраивать

Рисунок 1. Зеркало Ллойда.
Рисунок 2. Двухщелевой эксперимент Юнга демонстрирует картину дифракции от одной щели поверх двухщелевых интерференционных полос.

Зеркало Ллойда используется для создания интерференционных картин с двумя источниками, которые имеют важные отличия от интерференционных картин, наблюдавшихся в эксперименте Юнга .

В современной реализации зеркала Ллойда расходящийся лазерный луч падает на зеркало на передней поверхности под углом скольжения , так что часть света попадает прямо на экран (синие линии на рис. 1), а часть света отражается от зеркала на экран (красные линии). Отраженный свет образует виртуальный второй источник, который интерферирует с прямым светом.

В эксперименте Юнга отдельные щели демонстрируют дифракционную картину, поверх которой накладываются интерференционные полосы от двух щелей (рис. 2). Напротив, эксперимент с зеркалом Ллойда не использует щели и демонстрирует интерференцию двух источников без осложнений, связанных с наложенной дифракционной картиной от одной щели.

В эксперименте Юнга центральная полоса, представляющая равную длину пути, яркая из-за конструктивной интерференции . Напротив, в зеркале Ллойда полоса, ближайшая к зеркалу, представляющему равную длину пути, темная, а не яркая. Это происходит потому, что свет, отражающийся от зеркала, претерпевает фазовый сдвиг на 180° и, таким образом, вызывает деструктивную интерференцию , когда длины путей равны или когда они различаются на целое число длин волн.

Приложения

Интерференционная литография

Наиболее распространенное применение зеркала Ллойда — УФ-фотолитография и нанопаттернирование. Зеркало Ллойда имеет важные преимущества по сравнению с двухщелевыми интерферометрами.

Если требуется создать ряд близко расположенных интерференционных полос с помощью двухщелевого интерферометра, необходимо увеличить расстояние d между щелями. Однако увеличение расстояния между щелями требует расширения входного луча для покрытия обеих щелей. Это приводит к большой потере мощности. Напротив, увеличение d в зеркальной технике Ллойда не приводит к потере мощности, поскольку вторая «щель» — это всего лишь отраженное виртуальное изображение источника. Следовательно, зеркало Ллойда позволяет создавать тонко детализированные интерференционные картины достаточной яркости для таких приложений, как фотолитография. [5]

Типичные области применения зеркальной фотолитографии Ллойда включают изготовление дифракционных решеток для поверхностных энкодеров [6] и формирование рисунка на поверхностях медицинских имплантатов для улучшения биофункциональности. [7]

Генерация тестового шаблона

Высоковидимые cos 2 -модулированные полосы постоянной пространственной частоты могут быть сгенерированы в зеркальном устройстве Ллойда с использованием параллельного коллимированного монохроматического света, а не точечного или щелевого источника. Однородные полосы, сгенерированные этим устройством, могут быть использованы для измерения функций передачи модуляции оптических детекторов, таких как матрицы ПЗС, для характеристики их производительности как функции пространственной частоты, длины волны, интенсивности и т. д. [8]

Оптическое измерение

Выходной сигнал зеркала Ллойда анализировался с помощью фотодиодной матрицы ПЗС для создания компактного, широкодиапазонного, высокоточного волномера с преобразованием Фурье, который можно было бы использовать для анализа спектрального выходного сигнала импульсных лазеров. [9]

Радиоастрономия

Рисунок 3. Определение положения галактических радиоисточников с помощью зеркала Ллойда.

В конце 1940-х и начале 1950-х годов ученые CSIRO использовали метод, основанный на зеркале Ллойда, для точных измерений положения различных галактических радиоисточников с прибрежных участков Новой Зеландии и Австралии. Как показано на рис. 3, метод заключался в наблюдении за источниками, объединяющими прямые и отраженные лучи с высоких скал, возвышающихся над морем. После коррекции атмосферной рефракции эти наблюдения позволили нанести на карту пути источников над горизонтом и определить их небесные координаты. [10] [11]

Подводная акустика

Акустический источник, расположенный непосредственно под поверхностью воды, создает конструктивную и деструктивную интерференцию между прямым и отраженным путями. Это может оказать серьезное влияние на работу сонара . [12]

Эффект зеркала Ллойда был причастен к важной роли в объяснении того, почему морские животные, такие как ламантины и киты, неоднократно подвергались ударам лодок и кораблей. Помехи из-за зеркала Ллойда приводят к тому, что низкочастотные звуки винта не различимы вблизи поверхности, где происходит большинство аварий. Это происходит потому, что на поверхности звуковые отражения почти на 180 градусов не совпадают по фазе с падающими волнами. В сочетании с эффектами распространения и акустического затенения это приводит к тому, что морское животное не может услышать приближающееся судно, пока оно не будет перевернуто или захвачено гидродинамическими силами прохода судна. [13]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ллойд, Хамфри (1831). «О новом случае интерференции лучей света». Труды Королевской Ирландской Академии . 17. Королевская Ирландская Академия: 171– 177. ISSN  0790-8113. JSTOR  30078788. Получено 29.05.2021 .
  2. ^ Зеркала Френеля и Ллойда
  3. ^ "Interference by the Division of the Wavefront" (PDF) . Университет Арканзаса . Архивировано из оригинала (PDF) 7 сентября 2012 года . Получено 20 мая 2012 года .
  4. ^ Болтон, Дж. Г .; Сли, О. Б. (1953). «Галактическое излучение на радиочастотах V. Морской интерферометр». Australian Journal of Physics . 6 : 420–433 . Bibcode : 1953AuJPh...6..420B. doi : 10.1071/PH530420 .
  5. ^ "Application Note 49: Theory of Lloyd's Mirror Interferometer" (PDF) . Newport Corporation . Получено 16 февраля 2014 г. .
  6. ^ Li, X.; Shimizu, Y.; Ito, S.; Gao, W.; Zeng, L. (2013). «Изготовление дифракционных решеток для поверхностных энкодеров с использованием зеркального интерферометра Ллойда с лазерным диодом 405 нм». В Lin, Jie (ред.). Восьмой международный симпозиум по точным инженерным измерениям и приборостроению . Том 8759. С. 87594Q. Bibcode : 2013SPIE.8759E..4QL. doi : 10.1117/12.2014467. S2CID  136994909.
  7. ^ Доманский, М. (2010). «Новый подход к производству наноструктурированных титановых имплантатов путем объединения наноимпринтной литографии и реактивного ионного травления» (PDF) . 14-я Международная конференция по миниатюрным системам для химии и наук о жизни . стр.  3–7 . ISBN 978-0-9798064-3-8.
  8. ^ Hochberg, EB; Chrien, NL "Lloyd's mirror for MTF testing of MIRS CCD" (PDF) . Jet Propulsion Laboratory . Архивировано из оригинала (PDF) 22 февраля 2014 г. . Получено 16 февраля 2014 г. .
  9. ^ Килькопф, Дж.; Портаро, Л. (1992). «Зеркало Ллойда как лазерный волномер». Прикладная оптика . 31 (33): 7083– 7088. Bibcode : 1992ApOpt..31.7083K. doi : 10.1364/AO.31.007083. PMID  20802569.
  10. ^ Болтон, Дж. Г.; Стэнли, Г. Дж.; Сли, О. Б. (1949). «Положения трех дискретных источников галактического радиочастотного излучения». Nature . 164 (4159): 101– 102. Bibcode :1949Natur.164..101B. doi :10.1038/164101b0. S2CID  4073162.
  11. ^ Эдвардс, Филипп. "Интерферометрия" (PDF) . Национальная астрономическая обсерватория Японии (NAOJ). Архивировано из оригинала (PDF) 21 февраля 2014 года . Получено 11 февраля 2014 года .
  12. ^ Кэри, WM (2009). «Зеркало Ллойда — Эффекты интерференции изображений». Acoustics Today . 5 (2): 14. doi :10.1121/1.3182842.
  13. ^ Герштейн, Эдмунд (2002). «Ламантины, биоакустика и лодки». American Scientist . 90 (2): 154– 163. Bibcode : 2002AmSci..90..154G. doi : 10.1511/2002.2.154. S2CID  121310274. Получено 13 февраля 2014 г.

Дальнейшее чтение

  • Титчмарш, П. Ф. (1941). «Интерференционные полосы одиночного зеркала Ллойда». Труды Физического общества . 53 (4): 391– 402. Bibcode : 1941PPS....53..391T. doi : 10.1088/0959-5309/53/4/304.
  • Зеркало Ллойда @ wolfram
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lloyd%27s_mirror&oldid=1244493774"