Een etalon is een optisch instrument, vaak onderdeel van een H-alfafilter, dat bestaat uit twee precies parallelle, halfdoorlatende spiegels. De afstand tussen deze spiegels wordt aangegeven met D.
Wanneer een lichtstraal een etalon binnengaat, werkt deze op verschillende manieren samen met de spiegels:
- Directe doorgang: Een deel van het licht gaat direct door de eerste spiegel, legt de afstand D af naar de tweede spiegel en gaat daar vervolgens ook doorheen.
- Interne reflectie: Een ander deel van het licht reflecteert op de eerste spiegel, legt de afstand D af naar de tweede spiegel, reflecteert daar weer, legt de afstand D terug af naar de eerste spiegel en gaat dan pas door de eerste spiegel naar buiten. Dit proces van reflectie tussen de spiegels kan zich meerdere keren herhalen.
De sleutel tot de functie van het etalon als filter is interferentie. Interferentie treedt op wanneer twee of meer golven elkaar ontmoeten en beïnvloeden.
- Constructieve interferentie: Dit gebeurt wanneer golven elkaar versterken, wat betekent dat hun toppen samenvallen met toppen en hun dalen met dalen. Dit resulteert in een sterkere golf (helderder licht).
- Destructieve interferentie: Dit gebeurt wanneer golven elkaar verzwakken of zelfs uitdoven, wat betekent dat een top van de ene golf samenvalt met een dal van de andere. Dit resulteert in een zwakkere golf of geen golf (zwakker of geen licht).
Een etalon werkt als een filter door alleen specifieke golflengtes door te laten waarbij de lichtstralen die het etalon verlaten constructief interfereren. Voor de meeste andere golflengtes vindt destructieve interferentie plaats, waardoor ze niet of nauwelijks worden doorgelaten.
Waarom is de afgelegde weg 2D?
Voor constructieve interferentie is het essentieel dat het weglengteverschil tussen de verschillende lichtstralen die het etalon verlaten, een geheel aantal golflengtes is.
Stel je een lichtstraal voor die een extra 'rondje' maakt binnen het etalon voordat deze het verlaat. Deze straal reist van de eerste spiegel naar de tweede (afstand D) en reflecteert vervolgens terug van de tweede spiegel naar de eerste (nog een afstand D). De extra weglengte die deze straal aflegt, vergeleken met een direct doorgelaten straal, is D+D=2D. Deze 2D vertegenwoordigt de extra afstand die een lichtstraal aflegt die één extra reflectiecyclus tussen de spiegels ondergaat.
Waarom moet het weglengteverschil een geheel aantal golflengtes zijn?
Om twee golven constructief te laten interfereren, moeten ze elkaar in fase ontmoeten. Dit betekent dat hun trillingen perfect gesynchroniseerd moeten zijn – toppen moeten samenvallen met toppen, en dalen met dalen.
Een golflengte (λ) vertegenwoordigt één complete cyclus van een golf. Als de ene golf een pad aflegt dat precies één, twee, drie of een willekeurig geheel aantal golflengtes langer is dan een andere golf, zullen ze elkaar nog steeds in dezelfde fase ontmoeten. Als het weglengteverschil bijvoorbeeld 1λ is, heeft de langere golf precies één extra volledige trilling voltooid, maar zal de top ervan nog steeds samenvallen met de top van de kortere golf wanneer ze elkaar ontmoeten.
Als het weglengteverschil geen geheel aantal golflengtes is (bijvoorbeeld 0,5λ of 1,5λ), zullen de golven elkaar uit fase ontmoeten. In dergelijke gevallen kan een top van de ene golf samenvallen met een dal van de andere, wat leidt tot destructieve interferentie waarbij ze elkaar uitdoven.
Daarom moet voor constructieve interferentie – en voor het doorlaten van licht door het etalon – het weglengteverschil (2D in deze context) gelijk zijn aan een geheel aantal golflengtes (λ). Deze relatie wordt uitgedrukt door de formule:
2D=n⋅λ
Waarbij:
- D de afstand tussen de spiegels is.
- n een geheel getal is (1, 2, 3, ...), dat het ordegetal van de interferentie vertegenwoordigt.
- λ de golflengte van het licht is.
Deze formule laat zien dat alleen specifieke golflengtes (λ) constructief zullen interfereren en dus worden doorgelaten, afhankelijk van de spiegelafstand D en het interferentieordegetal n.
Natuurkunde