Интерференция — взаимное усиление или ослабление двух или большего числа волн при их наложении друг на друга.

В результате интерференции происходит перерас-пределение энергии светового излучения в пространстве. Устойчивая (стационарная, постоянная во времени) интер-ференционная картина наблюдается при сложении коге-рентных волн.

Латинское слово « cohaerens» означает «находя-щийся в связи». И в пол-ном соответствии с этим значением под когерент-ностью понимают корре-лированное протекание во времени и простран-стве нескольких волно-вых процессов.

Требование когерентности волн — ключе-вое при рассмотрении интерференции. Разберем его на примере сложения двух волн одинаковой частоты. Пусть в некоторой точке пространства они возбуждают одинаково направленные (E̅ 1 E̅ 2 ) колебания: E̅ 1 sin(ω̅ t + φ 1 -) и E̅ 2 sin(ω̅ t + φ 2 -). Тогда величина амплитуды результирующе-го колебания E̅ sin(ω̅ t + φ) равна

E = √(E 1 2 + E 2 2 + 2 E 1 E 2 cosδ),

где δ = φ 1 — φ 2 . Если разность фаз δ постоянна во времени, то волны называются когерентными .

Для некогерентных волн δ случайным образом изменяется во времени, поэтому среднее значение cosδ равно нулю. Поскольку интенсив-ность волны пропорциональна квадрату амплитуды, то в случае сложения некогерентных волн интенсивность результирующей волны I просто равна сумме интенсивно-стей каждой из волн:

I = I 1 + I 2 .

При сложении же коге-рентных волн интенсивность результирующего колебания

I = I 1 + I 2 + 2√(I 1 I 2 cosδ ),

в зависимости от значения cosδ , мо-жет принимать значения и большие, и меньшие, чем I 1 + I 2 . Так как значение δ в общем случае зависит от точки наблю-дения, то и интенсивность результирующей волны будет различной в разных точках. Именно это имелось в виду, ко-гда выше говорилось о перераспределении энергии в про-странстве при интерференции волн.

Излучение с высокой степенью когерентности получают с помощью лазеров . Но если нет лазера, когерентные волны можно получить, разделив одну волну на несколько. Обыч-но используют два способа «деления» — деление волнового фронта и деление амплитуды. При делении волнового фронта интерферируют волновые пучки, первоначально распространявшиеся от одного источника в разных напра-влениях, которые затем с помощью оптических приборов сводят в одной области пространства (ее называют полем интерференции ). Для этого используют бизеркала и би-призмы Френеля , билинзы Бийе и др.

Чтобы перечислить «цве-та» различных участков оптического диапазона в порядке убывания длины волны — красный, оран-жевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолето-вый, достаточно вспом-нить фразу: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».

При амплитудном де-лении волна разделяется на полупрозрачной границе двух сред. Затем, в результате последующих отражений и прело-млений, разделенные части волны встречаются и интерфе-рируют. Именно так окрашиваются в разные цвета мыль-ные пузыри и тонкие масляные пленки на воде, крылья стрекозы и оксидные пленки на металлах и оконных стек-лах. Важно, что интерферировать должны дуги волн, испу-щенные в одном акте излучения атома или молекулы, т. е. части волны должны «недолго» двигаться раздельно, иначе в точку встречи уже придут волны, испущенные раз-ными атомами. А так как атомы излучают спонтанно (если не созданы специальные условия, как в лазерах), то эти вол-ны будут заведомо некогерентны. В лазерах работает вынужденное излучение и этим достигается высокая степень когерентности. Материал с сайта

Явление интерференции света в XVII в. исследовал Ньютон. Он наблюдал ин-терференцию света в тон-ком воздушном зазоре между стеклянной плас-тинкой и положенной на нее линзой. Получающую-ся в таком опыте интерфе-ренционную картину так и называют — кольца Ньюто-на . Однако Ньютон не смог внятно объяснить по-явление колец в рамках своей корпускулярной те-ории света. Лишь в начале XIX столетия сначала Т. Юнг, а затем О. Френель сумели объяснить образо-вание интерференцион-ных картин. И тот, и дру-гой были сторонниками волновой теории света.

Интерференция - одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков - все это проявление интерференции света.

Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И.Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны (рис. 3.7.1). Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона (рис. 3.7.2).

Ньютон не смог с точки зрения корпускулярной теории объяснить, почему возникают кольца, однако он понимал, что это связано с какой-то периодичностью световых процессов.

Такой опыт несложно повторить в домашних условиях.

Первым интерференционным опытом, получившим объяснение на основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.). В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S , падал на экран с двумя близко расположенными щелями S 1 и S 2 (рис. 3.7.3). Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S 1 и S 2 , перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Рисунок 3.7.3.

Схема интерференционного опыта Юнга

Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели S 1 и S 2 , которые в соответствии с принципом Гюйгенса можно рассматривать как источники вторичных волн, освещались светом одного источника S . При симметричном расположении щелей вторичные волны, испускаемые источниками S 1 и S 2 , находятся в фазе, но эти волны проходят до точки наблюдения P разные расстояния r 1 и r 2 . Следовательно, фазы колебаний, создаваемых волнами от источников S 1 и S 2 в точке P , вообще говоря, различны. Таким образом, задача об интерференции волн сводится к задаче о сложении колебаний одной и той же частоты, но с разными фазами. Утверждение о том, что волны от источников S 1 и S 2 распространяются независимо друг от друга, а в точке наблюдения они просто складываются, является опытным фактом и носит название принципа суперпозиции .

Монохроматическая (или синусоидальная) волна , распространяющаяся в направлении радиус-вектора , записывается в виде

Приборов, которые способны были бы следить за быстрыми изменениями поля световой волны в оптическом диапазоне, не существует; наблюдаемой величиной является поток энергии, который прямо пропорционален квадрату амплитуды электрического поля волны. Физическую величину, равную квадрату амплитуды электрического поля волны, принято называть интенсивностью : I = A 2 .

Несложные тригонометрические преобразования приводят к следующему выражению для интенсивности результирующего колебания в точке P :

где Δ = r 2 - r 1 - так называемая разность хода .

Из этого выражения следует, что интерференционный максимум (светлая полоса) достигается в тех точках пространства, в которых Δ = m λ (m = 0, ±1, ±2, ...). При этом I max = (a 1 + a 2) 2 > I 1 + I 2 . Интерференционный минимум (темная полоса) достигается при Δ = m λ + λ / 2. Минимальное значение интенсивности I min = (a 1 - a 2) 2 < I 1 + I 2 . На рис. 3.7.4 показано распределение интенсивности света в интерференционной картине в зависимости от разности хода Δ.

В частности, если I 1 = I 2 = I 0 , т. е. интенсивности обеих интерферирующих волн одинаковы, выражение (*) приобретает вид:

I = 2I 0 (1 + cos k Δ).

В этом случае I max = 4I 0 , I min = 0.

Формулы (*) и (**) являются универсальными. Они применимы к любой интерференционной схеме, в которой происходит сложение двух монохроматических волн одной и той же частоты.

Если в схеме Юнга через y обозначить смещение точки наблюдения от плоскости симметрии, то для случая, когда d << L и y << L (в оптических экспериментах эти условия обычно выполняются), можно приближенно получить:

При смещении вдоль координатной оси y на расстояние, равное ширине интерференционной полосы Δl , т. е. при смещении из одного интерференционного максимума в соседний, разность хода Δ изменяется на одну длину волны λ. Следовательно,

где ψ - угол схождения «лучей» в точке наблюдения P . Выполним количественную оценку. Допустим, что расстояние d между щелями S 1 и S 2 равно 1 мм, а расстояние от щелей до экрана Э составляет L = 1 м, тогда ψ = d / L = 0,001 рад. Для зеленого света (λ = 500 нм) получим Δl = λ / ψ = 5 · 10 5 нм = 0,5 мм. Для красного света (λ = 600 нм) Δl = 0,6 мм. Таким путем Юнг впервые измерил длины световых волн, хотя точность этих измерений была невелика.

Следует подчеркнуть, что в волновой оптике, в отличие от геометрической оптики, понятие луча света утрачивает физический смысл. Термин «луч» употребляется здесь для краткости для обозначения направления распространения волны. В дальнейшем этот термин будет употребляться без кавычек.

В эксперименте Ньютона (рис. 3.7.1) при нормальном падении волны на плоскую поверхность линзы разность хода приблизительно равна удвоенной толщине 2h воздушного промежутка между линзой и плоскостью. Для случая, когда радиус кривизны R линзы велик по сравнению с h , можно приближенно получить:

где r - смещение от оси симметрии. При написании выражения для разности хода следует также учесть, что волны 1 и 2 отражаются при разных условиях. Первая волна отражается от границы стекло-воздух, а вторая - от границы воздух-стекло. Во втором случае происходит изменение фазы колебаний отраженной волны на π, что эквивалентно увеличению разности хода на λ / 2. Поэтому

При r = 0, то есть в центре (точка соприкосновения) Δ = λ / 2; поэтому в центре колец Ньютона всегда наблюдается интерференционный минимум - темное пятно. Радиусы r m последующих темных колец определяются выражением

Эта формула позволяет экспериментально определить длину волны света λ, если известен радиус кривизны R линзы.

Проблема когерентности волн . Теория Юнга позволила объяснить интерференционные явления, возникающие при сложении двух монохроматических волн одной и той же частоты. Однако повседневный опыт учит, что интерференцию света в действительности наблюдать не просто. Если в комнате горят две одинаковые лампочки, то в любой точке складываются интенсивности света и никакой интерференции не наблюдается. Возникает вопрос, в каких случаях нужно складывать напряженности (с учетом фазовых соотношений), в каких - интенсивности волн, т. е. квадраты напряженностей полей? Теория интерференции монохроматических волн не может дать ответа на этот вопрос.

Реальные световые волны не являются строго монохроматическими. В силу фундаментальных физических причин излучение всегда имеет статистический (или случайный) характер. Атомы светового источника излучают независимо друг от друга в случайные моменты времени, и излучение каждого атома длится очень короткое время (τ ≤ 10 -8 с). Результирующее излучение источника в каждый момент времени состоит из вкладов огромного числа атомов. Через время порядка τ вся совокупность излучающих атомов обновляется. Поэтому суммарное излучение будет иметь другую амплитуду и, что особенно важно, другую фазу. Фаза волны, излучаемой реальным источником света, остается приблизительно постоянной только на интервалах времени порядка τ. Отдельные «обрывки» излучения длительности τ называются цугами . Цуги имеют пространственную длину, равную c τ, где c - скорость света. Колебания в разных цугах не согласованы между собой. Таким образом, реальная световая волна представляет собой последовательность волновых цугов с беспорядочно меняющейся фазой . Принято говорить, что колебания в разных цугах некогерентны . Интервал времени τ, в течение которого фаза колебаний остается приблизительно постоянной, называют временем когерентности .

Интерференция может возникнуть только при сложении когерентных колебаний, т. е. колебаний, относящихся к одному и тому же цугу. Хотя фазы каждого из этих колебаний также подвержены случайным изменениям во времени, но эти изменения одинаковы, поэтому разность фаз когерентных колебаний остается постоянной. В этом случае наблюдается устойчивая интерференционная картина и, следовательно, выполняется принцип суперпозиции полей. При сложении некогерентных колебаний разность фаз оказывается случайной функцией времени. Интерференционные полосы испытывают беспорядочные перемещения из стороны в сторону, и за время Δt их регистрации, которая в оптических экспериментах значительно больше времени когерентности (Δt >> τ), происходит полное усреднение. Регистрирующее устройство (глаз, фотопластинка, фотоэлемент) зафиксирует в точке наблюдения усредненное значение интенсивности, равное сумме интенсивностей I 1 + I 2 обоих колебаний. В этом случае выполняется закон сложения интенсивностей.

Таким образом, интерференция может возникнуть только при сложении когерентных колебаний. Волны, создающие в точке наблюдения когерентные колебания, также называются когерентными. Волны от двух независимых источников некогерентны и не могут дать интерференции. Т. Юнг интуитивно угадал, что для получения интерференции света нужно волну от источника разделить на две когерентные волны и затем наблюдать на экране результат их сложения. Так делается во всех интерференционных схемах. Однако, даже в этом случае интерференционная картина исчезает, если разность хода Δ превысит длину когерентности c τ.

«Физика - 11 класс»

Если свет представляет собой поток волн, то должно наблюдаться явление интерференции света. Однако получить интерференционную картину (чередование максимумов и минимумов освещенности) с помощью двух независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение еще одной лампочки лишь увеличивает освещенность поверхности, но не создает чередования минимумов и максимумов освещенности.

Выясним, в чем причина этого и при каких условиях можно наблюдать интерференцию света.


Условие когерентности световых волн

Причина отсутствия интерференционной картины в опыте с двумя лампочками в том, что световые волны, излучаемые независимыми источниками, не согласованы друг с другом. Для получения же устойчивой интерференционной картины нужны согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную во времени разность фаз в любой точке пространства. Напомним, что такие согласованные волны с одинаковыми длинами волн и постоянной разностью фаз называются когерентными.

Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для этого достаточно использовать хорошие светофильтры, пропускающие свет в очень узком интервале длин волн. Но невозможно осуществить постоянство разности фаз от двух независимых источников. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн, имеющими обычно длину около метра. И такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотично меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги волн от различных источников сдвинуты относительно друг друга по фазе. Волны от различных источников света некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остается постоянной (исключение составляют квантовые источники света - лазеры, созданные в 1960 г.) Никакой устойчивой картины с определенным распределением максимумов и минимумов освещенности в пространстве не наблюдается.


Интерференция в тонких пленках

Тем не менее интерференцию света удается наблюдать. Хотя ее и наблюдали очень давно, но только не придавали этому значения.

Вы тоже много раз видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина либо нефти на поверхности воды. «Мыльный пузырь, витая в воздухе... зажигается всеми оттенками цветов, присущими окружающим предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы» (Марк Твен). Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.

Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн 1 и 2 (рис. 8.48), одна из которых (1) отражается от наружной поверхности пленки, а другая (2) - от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн - сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции (усиление или ослабление результирующих колебаний) зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны света. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 отстанет от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, возникает из-за того, что они являются частями одного и того же светового пучка. Цуг волн от каждого излучающего атома разделяется пленкой на два цуга, а затем эти части сводятся вместе и интерферируют.

Юнг понял также, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте) световых волн. Световым пучкам различного цвета соответствуют волны с разной длиной волны X. Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной волны (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

Кольца Ньютона

Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плосковыпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона.

Возьмите плосковыпуклую линзу с малой кривизной сферической поверхности и положите ее выпуклостью вниз на стеклянную пластину. Внимательно разглядывая плоскую поверхность линзы (лучше через лупу), вы обнаружите в месте соприкосновения линзы и пластины темное пятно и вокруг него совокупность маленьких радужных колец. Это и есть кольца Ньютона. Ньютон наблюдал и исследовал их не только в белом свете, но и при освещении линзы одноцветным (монохроматическим) пучком. Оказалось, что радиусы колец одного и того же порядкового номера увеличиваются при переходе от фиолетового конца спектра к красному; красные кольца имеют максимальный радиус. Расстояния между соседними кольцами уменьшаются с увеличением их радиусов.

Удовлетворительно объяснить, почему возникают кольца, Ньютон не смог. Удалось это Юнгу. Проследим за ходом его рассуждений. В их основе лежит предположение о том, что свет - это волны. Рассмотрим случай, когда волна определенной длины волны падает почти перпендикулярно на плосковыпуклую линзу. Волна 1 появляется в результате отражения от выпуклой поверхности линзы на границе сред стекло - воздух, а волна 2 - в результате отражения от пластины на границе сред воздух - стекло. Эти волны когерентны: они имеют одинаковую длину волны и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна 2 проходит больший путь, чем волна 1. Если вторая волна отстает от первой на целое число длин волн, то, складываясь, волны усиливают друг друга

Напротив, если вторая волна отстает от первой на нечетное число полуволн, то колебания, вызванные ими, будут происходить в противоположных фазах, и волны погасят друг друга.

Если известен радиус кривизны R выпуклой поверхности линзы, то можно вычислить, на каких расстояниях от точки соприкосновения линзы со стеклянной пластиной разности хода таковы, что волны определенной длины волны λ, гасят друг друга. Эти расстояния и являются радиусами темных колец Ньютона. Ведь линии постоянной толщины воздушной прослойки представляют собой окружности. Измерив радиусы колец, можно вычислить длины волн.


Длина световой волны

В результате измерений было установлено, что для красного света λ кр = 8 10 -7 м, а для фиолетового - λ ф = 4 10 -7 м. Длины волн, соответствующие другим цветам спектра, принимают промежуточные значения. Для любого цвета длина световой волны очень мала. Поясним это на простом примере. Представьте себе среднюю морскую волну длиной волны в несколько метров, которая увеличилась настолько, что заняла весь Атлантический океан от берегов Америки до Европы. Длина световой волны, увеличенной в той же пропорции лишь ненамного превысила бы ширину этой страницы.

Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но и позволяет измерить длину волны. Подобно тому как высота звука определяется его частотой, цвет света определяется частотой колебаний или длиной волны.

В природе нет никаких красок, есть лишь волны разных длин волн. Глаз - сложный физический прибор, способный обнаруживать различие в цвете, которому соответствует весьма незначительная (около 10 -6 см) разница в длинах световых волн. Интересно, что большинство животных не способны различать цвета. Они всегда видят черно-белую картину. Не различают цвета также дальтоники - люди, страдающие цветовой слепотой.

При переходе света из одной среды в другую длина волны изменяется. Это можно увидеть. Заполним водой или другой прозрачной жидкостью с показателем преломления п воздушную прослойку между линзой и пластиной. Радиусы интерференционных колец уменьшатся.

Почему это происходит? Мы знаем, что при переходе света из вакуума в какую-нибудь среду скорость света уменьшается в n раз. Так как υ = λν, то при этом должна уменьшиться в n раз либо частота ν, либо длина волны λ. Но радиусы колец зависят от длины волны. Следовательно, когда свет входит в среду, изменяется в n раз именно длина волны, а не частота.


Интерференция электромагнитных волн

В опытах с генератором СВЧ можно наблюдать интерференцию электромагнитных волн (радиоволн).

Генератор и приемник располагают друг против друга. Затем подносят снизу металлическую пластину в горизонтальном положении. Постепенно поднимая пластину, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.

Явление объясняется следующим образом. Часть волны из рупора генератора попадает непосредственно в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлической пластины. Меняя расположение пластины, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна разность хода целому числу длин волн или нечетному числу полуволн.

Наблюдение интерференции света доказывает, что свет при распространении проявляет волновые свойства. Интерференционные опыты позволяют измерить длину световой волны: она очень мала - от 4 10 -7 до 8 10 -7 м.

При прохождении электромагнитной волны через границу раздела сред происходит ее отражение и преломление.

Закон отражения: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раз­де­ла двух сред в точке падения. Угол падения равен углу отражения, (рис.1.1).

Закон преломления: луч пада­ю­щий, луч преломленный и перпендикуляр, про­ве­денный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред

, (1.1)

где n 21 относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Для установления причин преломления запишем для треугольников ABC иACD (см. рис. 1.1) соотношения:ВС =AC sini 1 ,AD =AC sini 2 , тогда отношениеBC /AD = sini 1 /sini 2 . C учетом времени перехода фронта волныt и скоростей ее распространенияv 1 иv 2 соответственно в средах 1 и 2 имеемBC =v 1 t иAD =v 2 t , откуда

. (1.2)

Таким образом, свет преломляется из-за различной скорости волн в разных средах. Абсолютный показатель преломления среды n показывает, во сколько раз скорость света в среде меньше, чем скорость света в вакууме:n = c /v .

В соответствии с электромагнитной природой скорость света и показатель преломления зависят от электромагнитных свойств среды (ее диэлектрической  0 и магнитной 0 проницаемости)

. (1.3)

При прохождении волны через границу раздела сред (рис. 1.2) изменяется длина волны. Действительно, при v 2 < v 1 (v 1 =c ) для первой среды с =, для второй средыv =, тогда

и
.

На отрезки AD иBC (см. рис. 1.1) укладывается одно и то же количество волн.

Рассмотрим изменение плоской бегущей волны при переходе в другую среду. В вакууме

,

т.е. фаза волны зависит не от координаты x , а от оптической длины путиnx .

При отражении волны от границы раздела сред, когда волна проходит из оптически более плотной среды 1 в оптически менее плотную среду 2 (n 1 >n 2) оптическая разность хода двух лучейL =n x = = 0. При отражении от оптически более плотной среды (рис. 1.3) фаза скачком меняется на, аL на/2, т.е. происходит потеря полуволны.

1.2. Интерференция света и условия её наблюдения. Когерентные источники света

При наложении волн в пространстве имеет место явление интерференции, заключающееся в том, что в одних местах волны усиливают друг друга, а в других ослабляют. Результаты такого сложения имеют общие закономерности независимо от природы волнового процесса.

Интерференцией света называется пространственное пере­распределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы (светлые пятна), а в других минимумы (темные пятна) интенсивности света.

Повседневный опыт убеждает нас в том, что обычные источники света (например, лампочки накаливания) явления интерференции не дают. В чём причина этого? Какими должны быть источники световых волн, чтобы возникало явление интерференции?

Необходимым условием интерференции волн являетсяихкогерент­ность, т.е. согласованное протекание во времени и пространстве несколькихколебательных или волновых процессов.Условию когерентности удовлетворяютмонохроматические волны – неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты (= const).

Реальные световые волны не являются строго монохроматическими. В силу фундаментальных физических причин излучение всегда имеет статистический характер. Атомы светового источника излучают независимо друг от друга в случайные моменты времени, и излучение каждого атома длится очень короткое время (τ ≤ 10 –8 с). Результирующее излучение источника в каждый момент времени состоит из вкладов огромного числа атомов. Через время порядка τ вся совокупность излучающих атомов обновляется. Поэтому суммарное излучение будет иметь другую амплитуду и, что особенно важно, другую фазу. Фаза волны, излучаемой реальным источником света, остается приблизительно постоянной только на интервалах времени порядка τ.

Прерывистое излучение света атомами в виде отдельных коротких импульсов называется волновым цугом . Средняя продолжительность одного цуга называется временем когерентности τ ког. В соответствии с условием временной когерентности время когерентности не может превышать время излучения:

τ ког < τ . (1.4)

При распространении волны фаза колебаний сохраняется только за время когерентности, за это время волна распространяется в вакууме на расстояние l ког = с τ ког – длины когерентности (длины цуга). Длина когерентности l ког есть расстояние, при прохождении которого две или несколько волн утрачивают когерентность. В соответствии с условием пространственной когерентности оптическая разность хода не может превышать длину когерентности:

L < l ког (1.5)

Волны, испускаемые двумя независимыми источ­никами света (даже двумя независимыми атомами), не когерентны, так как разность фаз между излучением этих источников хаотически изме­няется каждые 10 -8 с. Это приводит к усреднению интенсивности в каждой точке пространства. Следовательно, некогерентные лучи не создают устойчивой, неизменной во времени интерференционной картины.

Более того, поскольку цуги волн, излучаемые одним и тем же атомом в разные моменты времени (∆ t > 10 -8 с), отличаются часто­той и фазой, то, очевидно, интерференция произойдет только при встрече волн, образуемых из одного и того же цуга.

Основная трудность в осуществлении явления интерференции све­та заключается в получении когерентных световых волн. Как было объяснено выше, для этого непригодны излучения не только двух различных макроскопических источников света (исключение состав­ляют лазеры), но и различных атомов одного и того же источника. Поэтому остается лишь одна возможность - каким-либо способом раз­делить свет, излучаемый каждым источником, на две группы волн, которые в силу общности происхождения должны быть когерентными и при наложении будут интерферировать. Отсюда все методы получения когерентных источников света сводятся к одной идее  разделению одного пучка от источника на две части и дальнейшемуих сведению в одну точку. Практически это можно осуществить с помощью щелей (метод Юнга), зеркал (метод зеркал Френеля), преломляю­щих тел (метод бипризмы Френеля) и т.д.

В качестве примера рассмотрим метод Юнга. Источником света служит ярко освещенная щель S (рис.1.1), от которой световая вол­на падает на две узкие равноудаленные щели S 1 и S 2 , параллель­ные щели S. Таким образом, щели S 1 и S 2 играют роль когерент­ных источников. Интерференционная картина (область ВС) наблюда­ется на экране Э, расположенном на некотором расстоянии парал­лельно S 1 и S 2 . Юнгу принадлежит первое наблюдение явления интерференции.

Интерференционная картина на экране (см. рис. 1.4) имеет вид полос, параллельных щели. Если источник S излучает монохромати­ческий свет (одного цвета одинаковой частоты ν), то интерфе­ренционная картина представляет собой чередование светлых и тем­ных полос это максимумы иминимумыинтерференции.

От чего зависит результат интерференции в любой точке экрана? В каких случаях волны будут гасить друг друга, в каких – усиливать?

Рассмотрим два случая:

1)свет распространяется в вакууме (n 0 = 1);

2)свет распространяется в средах с разными показателями пре­ломления (n 1 ≠ n 2 ≠ 1).

1. Пусть оба когерентных луча от источников S 1 и S 2 про­ходят путиl 1 иl 2 до встречи в т.М экрана в вакууме (рис. 1.5). В этой случаеl 1 иl 2 -геометрические пути лучей. Рассчитаем резуль­тат наложения двух синусоидальных когерентных волн в произвольной точкеM экрана. Сделаем это для электрического вектора (не следует забывать о том, что в однородной среде интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды вектора напряженностиI ≈ E 2).

Колебания, приходящие в точку М от источников S 1 и S 2 , опи­сываются уравнениями:

,


,

где λ 0  длина волны в вакууме.

По принципу суперпозиции волн ам­плитуда результирующего колебания в т. М определяется формулой

для интенсивностей

где
и
 (1.8)

фазы складываемых колебаний.

Из выражения (1.7) следует, что величина амплитуды результиру­ющего колебания Е 0 , а, значит и интенсивности, зависит только отразности фаз (φ 1 –φ 2)складываемых колебаний.

Итак, волны называются когерентными, если в произволь­ной точке их встречи разность фаз колебаний остается постоянной во времени.

При этом возможны два предельных ва­рианта.

а ) (φ 1  φ 2) = ±2k π (k = 0, 1, 2, ...), (1.9)

cos (φ 1 – φ 2) = 1; Е 0 = Е 01 + Е 02 ;
,

т.е. амплитуда и интенсивность результирующего колебания максимальна (в случае E 01 = E 02 E 0 = 2E 01 , , a I = 4I 01).

Из уравнений (1.6) находим разность фаз

, (1.10)

где Δl= (l 2 – l 1) геометрическая разность хода волн от источников S 1 и S 2 до т. M экрана (см. рис. 1.5).

Из фор­мул (1.9) и (1.10) следует, что условие интерференционного максимума

, (1.11)

где k  порядок интерференционного максиму­ма (k = 0, 1, 2, …, при k = 0 наблюдают максимум в центре экрана).

б) (φ 1 – φ 2) = ± (2k + 1)π (k = 0, 1, 2, ...), (1.12)

cos (φ 1 – φ 2) = – 1; Е 0 = Е 01 – Е 02 ;
,

т.е. амплитуда результирующего колебания, а, следовательно, и интенсивность – минимальна (в случае E 01 = E 02 E 0 = 0 и I = 0).

Из формул (1.10) и (1.11) следует условие интерференционного минимума

, (1.13)

где k – порядок интерференци­онного минимума.

2. Если когерентные лучи проходят свои пути до точки М в раз­ных средах: первый – путь l 1 в среде с показателем преломления n 1 , второй – путь l 2 , в среде с показателем преломления n 2 , то условия образования максимумов и минимумов интерференции бу­дут зависеть не от геометрической разности хода Δl = (l 2 – l 1), а от оптической разности хода

ΔL = L 2 – L 1 = l 2 n 2 – l 1 n 1 , (1.14)

где L 1 , и L 2 – оптические пути лучей 1 и 2, L 1 = l 1 п 1 ; L 2 = l 2 n 2 . В этом случае разность фаз складываемых волн

где с – скорость света в вакууме, v – скорость света в среде; λ – длина волны, λ = v/;  – частота. Для вакуума λ 0 = с/, а для среды с показателем преломления n λ = λ 0 /n .

Приравняв поочередно (1.11) и (1.12) к (1.15), получим условие ин­терференционных максимумов:

, (1.16)

и интерференционных минимумов:

, (1.17)

где k = 0, 1, 2, 3, … .

Итак, в тех местах на экране, до которых в оптической разно­сти хода лучей укладывается четное число полуволн, колебания, приходящие от обоих источников, складываются, амплитуда удваива­ется, а интенсивность возрастает в 4раза. В тех местах экрана, до которых в оптичес­кой разности хода укладывается нечетное число полуволн, колеба­ния приходят в противоположной фазе и полностью гасят друг друга.

П р и м е ч а н и я:

1. Из формулы (1.15) обнаруживается связь между разностью фаз и оптической разностью хода:

.

2. Монохроматическим называют излучение одной длины волны λ = соnst (точнее узкого интервала длин волн). Такой свет воспринимается как одноцветный. Белый свет представлен набором длин волн от фиолетового до красного. Если источник S излучает свет не монохроматический, а белый, то интерфе­ренционные максимумы имеют вид радужных полос (кроме центрального максимума, где k = 0). Это объясняется тем, что условие максиму­ма интерференции (1.16) для данной длины волны выполняется только в определенной точке экрана. Поэтому белый свет в резуль­тате интерференции разлагается в интерференционный спектр. В цент­ре интерференционной картины, где k = 0, результат интерференции не зависит от длины волны λ .

Результат расчета интерференционной картины от двух когерентных источни­ков можно привести на примере опыта Юнга. Щели S 1 и S 2 (рис. 1.6) находятся на расстоянии d друг от друга и являются когерентными источниками света. Интерференция наблюдается в произвольной точке M экрана, расположенного параллельно обеим щелям на расстоянии L , причем L >> d . Начало отсчета выбрано в т. О экрана, расположенной симметрично относительно щелей S 1 и S 2 .

Интенсивность в любой точке М экрана, лежащей на расстоянии х от точки 0, определяется разностью хода Δl = l 2  l 1 (см. рис. 1.6).

Максимумы интен­сивности будут наблюдаться при

x max = ± kL λ 0 /d (k = 0, 1, 2, ...),(1.18)

минимумы интенсивности – при

x min = ± (2k+ 1)L λ 0 /2d (k = 0, 1, 2, ...).(1.19)

Расстояние между двумя соседнимимаксимумами илиминимумами,называемое шириной интерференционной полосы,

Δx = L λ 0 /d . (1.20)

Из формулы (1.20)видно, что ширина интерференционной полосы Δх не зависит от порядка интерференции (величины k )и является постоянной для данных L , d. и λ 0 .По измеренным значениямL , d. иλ 0 ,используя (1.20),можно экспериментально опреде­лить длину световой волны λ 0 .

В каждой точке две распространяющиеся в пространстве волны дают геометрическую сумму своих колебаний. Этот принцип называется суперпозицией волн. Указанный закон соблюдается с невероятной точностью. Однако в редких случаях он может игнорироваться. Это касается ситуаций, при которых волны распространяются в сложных средах, когда их интенсивность (амплитуда) становится очень большой. Данный принцип означает, что на некоторое количество электромагнитных волн, распространяющихся в определенной среде, сама среда откликается совершенно конкретным образом - она реагирует только на одну волну, как будто других рядом нет. Математически это значит, что в любой точке выбранной среды напряженность и индукция электромагнитного поля будут равны векторной сумме магнитных индукций и напряженностей всех совокупных полей. Вследствие принципа суперпозиции электромагнитных волн возникают такие явления, как дифракция и интерференция света. Они интересны с физической точки зрения, кроме того, поражают своей красотой.

Что такое интерференция?

Рассматривать данное явление можно только с соблюдением специальных условий. Интерференция света - это образование полос ослабления и усиления, которые чередуются друг с другом. Одним из важных условий является наложение электромагнитных волн (пучков света) друг на друга, причем их количество должно быть от двух и более. Стоячая волна является частным случаем. Необходимо заметить, что интерференция - это сугубо волновой эффект, применимый не только к свету. В стоячей волне, которая и образуется благодаря наложению на отраженную или падающую волну, наблюдаются максимумы (пучности) и минимумы (узлы) интенсивности, которые чередуются друг с другом.

Основные условия

Интерференция волн обусловлена их когерентностью. Что означает этот термин? Когерентность - это согласованность волн по фазе. Если две волны, которые идут от разных источников, наложить друг на друга, то их фазы будут меняться беспорядочно. Световые волны являются следствием излучения атомов, поэтому каждая из них - это результат наложения огромного количества составляющих.

Минимумы и максимумы

Для появления «правильных» усилений и ослаблений суммарных волн в пространстве необходимо, чтобы складываемые составляющие в выбранной точке друг друга гасили. То есть длительное время электромагнитные волны должны были бы находиться в противофазе, чтобы разность фаз постоянно оставалась одинаковой. Максимум же появляется в момент нахождения составляющих волн в одной фазе, то есть когда они усиливаются. Интерференция света наблюдается при условии постоянной разности фаз в данной точке. И такие волны называются когерентными.

Естественные источники

Когда можно наблюдать такое явление, как интерференция света? Излучаемые электромагнитные волны от естественных источников некогерентны, потому что они беспорядочно создаются разными атомами, обычно совершенно несогласованными друг с другом. Каждая выпущенная атомом отдельная волна представляет собой отрезок синусоиды, абсолютно когерентный сам с собой. Таким образом, необходимо разделить на два и более пучков один поток света, который идет от источника, а затем наложить получившиеся друг на друга. В этом случае мы сможем наблюдать минимумы и максимумы такого явления, как интерференция света.

Наблюдение за наложением волн

Как уже говорилось выше, интерференция света - это очень широкое понятие, при котором результат сложения световых пучков по интенсивности не равен интенсивности отдельных пучков. В результате этого явления имеет место перераспределение энергии в пространстве - образуются те самые минимумы и максимумы. Именно поэтому интерференционная картина - это просто чередование темных и светлых полос. Если использовать белый свет, то полосы будут окрашены в самые разные цвета. Но когда в обычной жизни мы встречаем интерференцию света? Это происходит довольно часто. К ее проявлениям можно отнести масляные пятна на асфальте, мыльные пузыри с их радужными переливами, игру света на поверхности закаленного металла, рисунки на крылышках стрекозы. Это все интерференция света в тонких пленках. В действительности наблюдать этот эффект не так просто, как может показаться. Если горят две совершенно одинаковые лампы, то их интенсивности складываются. Но почему же нет эффекта интерференции? Ответ на этот вопрос заключается в отсутствии у такого наложения важнейшего условия - когерентности волн.

Бипризма Френеля

Для получения интерференционной картины возьмем источник, который является узкой освещенной щелью, установленной параллельно ребру самой бипризмы. Идущая от него волна будет раздваиваться благодаря преломлению в половинах бипризмы и доходить до экрана двумя различными путями, то есть иметь разность хода. На экране, в той его части, где и происходит перекрытие пучков света от половин бипризмы, появляются чередующиеся темные и светлые полосы. Разность хода ограничена по некоторым соображениям. В каждом акте излучения атом выпускает так называемый волновой цуг (системы электромагнитных волн), который распространяется в пространстве и времени, сохраняя свою синусоидальность. Длительность этого цуга ограничивается затуханием собственных колебаний частички (электрона) в атоме и столкновениям данного атома с другими. Если пропускать через бипризму белый свет, то можно увидеть цветную интерференцию, как это было и с тонкими пленками. Если же свет монохроматический (от дугового разряда в каком-либо газе), то интерференционная картинка будет представлять собой просто светлые и темные полосы. Это означает, что длины волн у разных цветов различны, то есть свет разного цвета и характеризуется разностью длин волн.

Получение наложенных волн

Идеальный источник света - это лазер (генератор квантов), который является по своей природе когерентным источником вынужденных излучений. Длина когерентного лазерного цуга может достигать тысяч километров. Именно благодаря генераторам квантов ученые создали целую область современной оптики, которую и назвали когерентной. Этот раздел физики является невероятно перспективным в плане технических и теоретических достижений.

Области применения эффекта

В широком смысле понятие «интерференция света» - это модуляция в пространстве потока энергии и его состояния излучения (поляризации) в области пересечения нескольких электромагнитных волн (двух и более). Но где используют такой эффект? Применение интерференции света возможно в самых различных областях технологий и промышленности. Например, это явление используют для того, чтобы осуществлять прецизионный контроль поверхностей обработанных изделий, а также механических и тепловых напряжений в деталях, измерять объемы различных объектов. Также интерференция света нашла применение в микроскопии, в спектроскопии инфракрасного и оптического излучения. Это явление лежит в основе современной трехмерной голографии, активной спектроскопии комбинационного рассеяния. В основном интерференцию, как видно из примеров, используют для высокоточных измерений и вычисления показателей преломления в разных средах.