Interferencia y Difracción de la Luz
1. Interferencia de la luz
1. Efecto de interferencia
Dos o más haces de luz con la misma longitud de onda, diferencia de fase constante y dirección de propagación similar. transmitidos en la misma dirección Cuando se encuentran en un medio, el fenómeno de mejora constructiva o eliminación destructiva causado por la interacción en el área de superposición se llama interferencia de la luz. Las ondas que interfieren se llaman ondas coherentes. No interferirán dos rayos de luz cualquiera. Dos haces de luz que pueden interferir deben cumplir las siguientes condiciones: los dos haces de luz tienen la misma frecuencia, la misma dirección de vibración, la misma fase o una diferencia de fase constante.
Dos ondas coherentes (onda de luz 1 y onda de luz 2) con la misma dirección de vibración, misma amplitud y frecuencia se encuentran. Los picos y valles de la onda de luz 1 se superponen con los picos y valles de la onda de luz 2. Los dos haces de luz generan interferencia, lo que hace que la onda de interferencia duplique su amplitud. Este proceso se denomina mejora constructiva y, por lo tanto, se mejora el brillo (Figura 1-3-11(a).
Cuando estas dos ondas de luz vibran Cuando las fases son completamente opuestas, es decir, el pico del haz 1 y el valle del haz 2 se superponen en direcciones opuestas. Dado que los campos electromagnéticos se cancelan entre sí, el resultado de la interferencia entre la onda de luz 1. y la onda de luz 2 es que el brillo se reduce a cero. Este proceso se llama eliminación destructiva (Figura 1-3-11 (b).
Figura 1-3-11 Interferencia de la luz
2. Color de interferencia
Cuando las ondas coherentes de dos fuentes de luz monocromáticas interfieren. Cuando se produce la interferencia, se producen una serie de franjas claras y oscuras, que se denominan franjas de interferencia cuando la luz es de color complejo (; es decir, luz blanca) interfiere, se producen una serie de franjas de color que van del violeta al rojo, que se denominan colores de interferencia. En el caso de luz blanca, el color específico del color está limitado por la diferencia de trayectoria óptica entre los dos haces de luz coherente. utilizado como fuente de luz, cuando la diferencia de trayectoria óptica está dentro del rango de 0 ~ 550 nm, muchos colores de interferencia como gris oscuro, blanquecino, amarillo anaranjado y rojo púrpura aparecerán en secuencia, lo que se denomina el color de interferencia de primer orden Su color de interferencia se caracteriza por solo gris oscuro y blanquecino sin azul ni verde. Cuando la diferencia de trayectoria óptica está en el rango de 550 ~ 1100 nm, azul, verde, amarillo anaranjado y rojo púrpura. el color de interferencia aparecerá en secuencia, llamado color de interferencia de segundo orden, se caracteriza por colores brillantes y límites claros entre las tiras de color de interferencia cuando la diferencia de trayectoria óptica es de aproximadamente 1100 ~ 1650 nm, aparecerá el color de interferencia de tercer orden y su interferencia. orden Es consistente con el segundo orden, pero su tono de color de interferencia es más claro que el del segundo orden, y los límites entre las tiras de color de interferencia no son muy claros cuando la diferencia de trayectoria óptica es mayor que 1650 nm, interferencia del cuarto; Aparecerá un orden y órdenes aún mayores. Cuanto mayor sea el orden de los colores de interferencia, más claro será el color y más borrosos serán los límites entre las tiras de interferencia.
3. En la vida diaria, a menudo se pueden ver rayas de colores en películas blancas y rayas de colores que a veces aparecen cuando hay una película de aceite en las ventanas de vidrio. Todas ellas son causadas por la interferencia de una película delgada de luz, como se muestra en la Figura 1-3-12. Interferencia de película delgada. La luz reflejada desde la capa inferior y la luz reflejada desde la parte superior de la capa delgada se superponen e interfieren para formar colores. Cuando la diferencia de trayectoria óptica entre los dos haces de luz es un número par de medias longitudes de onda, la luz reflejada desde la capa inferior y la luz reflejada desde la parte superior de la capa delgada se superponen e interfieren para formar colores. El factor decisivo en la interferencia será. Los haces de luz se mejoran constructivamente. Cuando la diferencia de trayectoria óptica es un múltiplo impar de la mitad de la longitud de onda, los dos haces de luz se cancelan entre sí. solo aparece como una banda clara y oscura; cuando los dos haces de luz son complejos. Cuando aparece luz coloreada, el color del color de interferencia depende del grosor de la película, el índice de refracción de la película y la naturaleza de la luz incidente.
Figura 1-3-12. Interferencia de luz en película delgada
a y b son la luz incidente, y a′ es la capa inferior de la película, la luz reflejada,
b′ es la luz reflejada de la. En la capa superior de la película, las dos luces reflejadas a′ y b′ se superponen e interfieren entre sí
4 Interferencia de punto de división
En la práctica, la película no necesariamente lo hace. parece ser un plano uniforme Cuando la película no es uniforme, es decir, cuando el espesor de la película cambia, se producirá interferencia de corte o interferencia en modo de cuña. La punta de la división suele tener una superficie plana y los rayos de luz paralelos inciden con el mismo ángulo de incidencia. La acción de la punta de la división provoca diferentes diferencias en la trayectoria de las ondas, satisfaciendo así la interferencia de la luz de diferentes longitudes de onda.
El ireno es el fenómeno de interferencia más común en las piedras preciosas y puede ocurrir debido a la presencia de clivajes o fisuras, como en el cuarzo iridiscente.
Cuando la luz pasa a través de una fina capa de aire en las grietas del cuarzo, se produce interferencia. La luz reflejada desde la parte inferior de la capa fina se superpone a la luz reflejada desde la parte superior de la capa fina, haciendo que el cuarzo originalmente incoloro parezca una interferencia colorida. bandera.
2. Difracción de la luz
El fenómeno de las ondas de luz que se propagan en dirección rectilínea al encontrar un obstáculo se llama difracción de la luz, también conocida como difracción de la luz. Como se muestra en la Figura 1-3-13(a), después de que la luz emitida por la fuente de luz pase a través de la rendija con un ancho ajustable, aparecerá un punto de luz en la pantalla. Cuando las posiciones de la fuente de luz, la rendija y la pantalla son relativamente fijas, el tamaño del punto de luz está determinado por el ancho de la rendija. Si se reduce el ancho de la rendija, el punto de luz también se hará más pequeño, pero cuando el ancho de la rendija se reduce hasta cierto punto, como aproximadamente 10-4 m, si el ancho de la rendija continúa disminuyendo, la luz; La mancha no se reducirá, sino que aumentará. En este momento, el brillo general del punto de luz también cambia, desde el punto brillante original con brillo uniforme a una serie de franjas alternas claras y oscuras (la fuente de luz es una fuente de luz monocromática) o franjas de colores (la fuente de luz es una fuente de luz blanca), y los límites de las franjas también se pierden. Este es el fenómeno de la difracción de la luz. La razón de la difracción es que cuando la luz se propaga sin obstáculos, la luz se propaga hacia adelante en forma de ondas planas. Cuando la luz encuentra obstáculos (ver Figura 1-3-13 (b)), el campo de ondas en La distribución de energía cambiará y. La relación de fase de las ondas generadas en el borde del obstáculo se rompe. Ya no forman parte de la onda plana y ya no se propagan en dirección paralela, sino que cambian su dirección de propagación. Al mismo tiempo, una serie de ondas interfieren.
Figura 1-3-13 Difracción de la luz (a) e interferencia (b)
Se producen franjas de interferencia. Condicionalmente, la difracción sólo puede ocurrir cuando el tamaño del obstáculo es muy similar a la longitud de onda de la luz, o ligeramente mayor que la longitud de onda de la luz. Cuando la luz monocromática se difracta, los resultados de la difracción producen franjas claras y oscuras alternas cuando son multicolores. la luz se difracta, el resultado serán rayas de colores y el efecto de difracción produce colores espectrales puros.
Las principales aplicaciones de la difracción de la luz en gemología son dos aspectos. Primero, está diseñada utilizando el principio de la luz. difracción. La rejilla de difracción es uno de los componentes principales del espectroscopio de piedras preciosas. En un sentido amplio, la rejilla es una pantalla de difracción con estructura espacial periódica o propiedades ópticas. El uso de rejillas de difracción para fabricar espectroscopios de piedras preciosas puede convertir la luz policromática, es decir, blanca. la luz se descompone en un espectro de difracción lineal y el espectro tiene colores brillantes. En segundo lugar, el principio de difracción de la luz se puede utilizar para explicar algunos efectos ópticos especiales en las gemas, como los efectos de cambio de color. Hay muchos tipos de rejillas, incluyendo rejillas de perspectiva, rejillas de reflexión, rejillas planas, rejillas unidimensionales, rejillas bidimensionales, rejillas tridimensionales, etc.
3. >
Dispersión. Se refiere al fenómeno de que la luz irradia en todas direcciones causado por la irregularidad del medio de propagación. Cuando la luz pasa a través de una sustancia uniforme y transparente (como agua clara, vidrio), es difícil verla. luz desde el costado Sin embargo, cuando el medio es desigual Cuando hay partículas suspendidas en agua clara, se puede ver el rastro de luz en el costado (ver Figura 1-3-14), es decir, se puede ver el costado. En este momento, la falta de homogeneidad del medio se mide en unidades de longitud de onda. Cuando la uniformidad del medio se destruye y la escala de la falta de homogeneidad alcanza el orden de la longitud de onda, las propiedades ópticas (tales como). como índice de refracción) de estos parches medios no homogéneos serán diferentes. Bajo la acción de las ondas de luz, se convertirán en fuentes de ondas secundarias con grandes diferencias de intensidad, además de la luz que se propaga en línea recta. Según las leyes de la óptica geométrica, hay más o menos luz en otras direcciones, lo que se debe a la dispersión de la luz. Se puede observar que la dispersión provocada por la falta de homogeneidad en una escala comparable a la longitud de onda también puede considerarse una difracción. Efecto Si la escala de los grupos no homogéneos en el medio es mayor que el orden de la longitud de onda, la dispersión puede considerarse como un efecto de difracción en estos grupos. Reflexión y refracción en el bloque. , (a) en la figura hay una partícula muy pequeña que dispersa ondas de luz, y (b) es un objeto más grande que refleja ondas de luz. La difracción ocurre en el borde.
Figura 1-3-14 Diagrama esquemático de la dispersión de la luz
Un rayo de luz eléctrica se vuelve rosa después de pasar a través de leche diluida, mientras que la luz dispersada es azul claro
La intensidad y el color de la dispersión están relacionados principalmente con el tamaño de las partículas desiguales y la longitud de onda de la luz. En lo que respecta a la luz visible (400 ~ 700 nm): ① Dispersión causada por partículas más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible: Cuándo. El tamaño de las partículas es de aproximadamente 300 ~ 1 nm. Su intensidad de dispersión de la luz visible es inversamente proporcional a la longitud de onda, y este tipo de dispersión se denomina colectivamente dispersión de Rayleigh. Es decir, la dispersión de la luz azul de longitud de onda corta es mucho más fuerte que la de la luz roja de longitud de onda larga. En general, puede producir una buena dispersión azul-violeta y la luz de otras longitudes de onda se absorbe y debilita parcialmente. El color azul de la piedra lunar pertenece principalmente a este tipo de dispersión. ②Dispersión causada por partículas cercanas o mayores que la longitud de onda de la luz visible: su intensidad de dispersión tiene poca relación con la longitud de onda. En la mayoría de los casos, aparece como astigmatismo blanco. Este tipo de dispersión se denomina colectivamente dispersión de Mie. Como cuarzo blanco opaco. Sólo cuando el tamaño de las partículas dispersas está entre λ y 2λ, la luz dispersada puede aparecer en varios colores, principalmente rojo y verde. Esta situación es relativamente rara entre las gemas, y sólo hay unas pocas piedras lunares con opalescencia amarilla o beige. tener esta estructura. A veces, la dispersión de partículas de más de 700 nm también se denomina dispersión de Mie blanca. Este tipo de dispersión puede producir una opalescencia brillante en piedras preciosas, como la piedra lunar, la piedra de hibisco, el corindón, la espinela y el ópalo.
Figura 1-3-15 La relación entre la escala media y la dispersión, difracción y reflexión de la luz
(a) Partículas finas, donde se dispersan las ondas de luz;
(b) Partículas más grandes, donde las ondas de luz se reflejan y difractan en los bordes
IV. Dispersión de la luz
Cuando la luz blanca compuesta pasa a través de un material con propiedades prismáticas, el prisma. El fenómeno de descomposición de la luz compuesta para formar espectros de diferentes longitudes de onda se llama dispersión y es causado por las diferentes velocidades de propagación de la luz en el mismo medio con diferentes longitudes de onda. La luz blanca es una luz de color compleja, que se compone de diferentes luces monocromáticas como roja, naranja, amarilla, verde, cian, azul y violeta. Cuando la luz blanca pasa a través de un material con propiedades prismáticas, debido a las diferentes velocidades de propagación de la luz de diferentes longitudes de onda, el índice de refracción también será diferente. Por lo tanto, cuando la luz se refracta dos veces al entrar y salir del material del prisma, el blanco original. la luz se descompone para formar un espectro de colores con diferentes longitudes de onda. Como se muestra en la Figura 1-3-16, la luz roja tiene la longitud de onda más larga y se desvía más pequeña de la dirección de la luz incidente, mientras que la luz violeta tiene la longitud de onda más corta y se desvía más de la dirección de la luz incidente. El espectro formado por la dispersión se ordena del rojo al violeta según el grado de desviación de cada color de luz con respecto a la luz incidente.
Figura 1-3-16 Dispersión de la luz
La fuerza de dispersión se puede expresar mediante el valor de dispersión. Por lo general, la diferencia en el índice de refracción de un material con respecto a dos luces monocromáticas de luz roja de 686,7 nm y luz violeta de 430,8 nm se define como el valor de dispersión del material. Cuanto mayor sea el valor de dispersión, más fuerte será la dispersión y viceversa. Estas dos longitudes de onda de luz son la línea G y la línea B en el espectro solar. Según el tamaño del valor de dispersión, la dispersión se puede dividir en diferentes niveles: extremadamente baja (por debajo de 0,010), baja (0,010~0,019), media-alta (0,020~0,029), alta (0,030~0,059) y extremadamente alto (por encima de 0,060).
La dispersión tiene dos significados en las piedras preciosas. Uno de ellos puede utilizarse como una de las características de la identificación de piedras preciosas a simple vista, especialmente en la identificación de piedras preciosas incoloras o de colores más claros, que juega un papel importante. Entre un montón de gemas incoloras y transparentes, como cristal, topacio, berilo, vidrio y diamantes, los gemólogos experimentados pueden seleccionar diamantes en función de su alto valor de dispersión (0,044) y también pueden seleccionar diamantes en función de sus diferentes valores de dispersión. para distinguir los diamantes de las circonitas. En segundo lugar, el alto valor de dispersión añade un encanto infinito a las piedras preciosas. Una de las razones importantes por las que los diamantes incoloros se han convertido en los reyes de las piedras preciosas es su alto valor de dispersión. Cuando la luz natural incide en la faceta de un diamante en el ángulo correcto, descompone los colores espectrales y muestra un fuego colorido en la superficie del diamante.
La dispersión de las piedras preciosas de colores suele estar cubierta por su propio color y no es muy obvia, pero los valores de dispersión altos también añaden brillo a las piedras preciosas de colores, como el granate demantoide verde, que tiene un valor de dispersión alto. (0,057), que parece mucho más brillante que el vidrio verde.
Las piedras preciosas con alta dispersión incluyen: espesartita 0,027, granate almandino de itrio artificial 0,028, circonio 0,039, diamante 0,044, esfena 0,051, granate demantoide 0,057, circonio cúbico sintético 0,060, titanato de estroncio artificial 0,19, rutilo sintético 0,33.
Los factores que afectan el color fuego de las piedras preciosas incluyen el color del cuerpo, la claridad y la proporción de corte.