上からの光が空気層の上面と下面で反射した2つの光が干渉します。反射光を上から観察すると干渉縞が見えます。
空気層の厚さ $d$ の位置での光路差は $2d$ です。下のガラス上面での反射で位相反転(固定端反射)が起きるので:
暗線条件(位相反転1回で弱め合い):
$$2d = m\lambda \quad (m = 0, 1, 2, \ldots)$$明線条件(強め合い):
$$2d = \left(m + \frac{1}{2}\right)\lambda$$くさび形では接触点からの距離 $x$ に対して厚さが
$$d = \frac{D}{L} \cdot x$$と線形に変化します。ここで $D$ はスペーサーの厚さ、$L$ はガラス板の長さです。
暗線の位置は $2d = m\lambda$ に代入して
$$2 \cdot \frac{D}{L} \cdot x_m = m\lambda \quad \Rightarrow \quad x_m = \frac{m\lambda L}{2D}$$よって暗線(明線)の間隔は
$$\Delta x = x_{m+1} - x_m = \frac{\lambda L}{2D}$$接触点では $d = 0$ なので光路差は 0 ですが、下のガラス上面で位相反転が起きるため、2つの光は半波長ずれて弱め合います。したがって接触点は暗線です。
$\Delta x = \dfrac{\lambda L}{2D}$ を変形すると
$$\lambda = \frac{2D \cdot \Delta x}{L}$$屈折率 $n$ の液体を空気層に満たすと、光路差が $2nd$ になるので
$$\Delta x' = \frac{\lambda L}{2nD} = \frac{\Delta x}{n}$$縞の間隔は $1/n$ 倍に狭くなります。
接触点からスペーサーまでの間に暗線が $N$ 本見えたとすると、スペーサーの厚さは
$$D = \frac{N\lambda}{2}$$これは空気層の厚さが $\lambda/2$ 増えるごとに暗線が1本現れることを意味します。
くさび形空気層の干渉のポイント:
波長 600 nm の光、ガラス板の長さ 0.15 m、スペーサーの厚さ 0.050 mm の場合を考えます。縞の間隔は 0.90 mm で、暗線は 167 本です。水(屈折率 1.33)を入れると間隔は 0.90 ÷ 1.33 = 0.68 mm になります。
縞の間隔:
$$\Delta x = \frac{\lambda L}{2D} = \frac{600 \times 10^{-9} \times 0.15}{2 \times 0.050 \times 10^{-3}} = \frac{9.0 \times 10^{-8}}{1.0 \times 10^{-4}} = 9.0 \times 10^{-4} \text{ m} = 0.90 \text{ mm}$$スペーサーまでの暗線の本数:
$$N = \frac{2D}{\lambda} = \frac{2 \times 0.050 \times 10^{-3}}{600 \times 10^{-9}} = \frac{1.0 \times 10^{-4}}{6.0 \times 10^{-7}} \fallingdotseq 167 \text{ 本}$$屈折率 \(n = 1.33\) の水を入れると:
$$\Delta x' = \frac{\Delta x}{n} = \frac{0.90}{1.33} \fallingdotseq 0.68 \text{ mm}$$