Интерференция света - Оптика - ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

3.6.9.Интерференция света

Интерференция света — это пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн.

Еще Ньютон в XVII в. исследовал некоторые явления интерференции, однако он не мог их объяснить с точки зрения своей корпускулярной теории (согласно которой свет представляет собой поток корпускул — частиц). Объяснение интерференции света как типично волнового явления было дано в начале XIX в. Юнгом и Френелем. Наиболее известна интерференция света, характеризующаяся образованием постоянной во времени интерференционной картины, представляющей собой регулярное чередование в пространстве областей повышенной и пониженной интенсивности света. Она получается в результате наложения когерентных световых пучков, т. е. в условиях постоянной или регулярно меняющейся разности фаз.

Когерентность

Когерентность (от лат. cohaerens — находящийся в связи) — согласованное протекание в пространстве и во времени нескольких случайных колебательных или волновых процессов, позволяющее получить при их сложении четкую интерференционную картину.

Первоначально понятие когерентности возникло в оптике, однако оно относится к волновым полям любой природы: электромагнитным волнам произвольного диапазона, упругим волнам, волнам в плазме.

Сказанное означает, что когерентными будут источники и созданные ими волны, если у них одинаковая частота и постоянная разность фаз колебаний.

В противном случае амплитуда результирующего колебания в данной точке с течением времени меняется, и устойчивой интерференционной картины не получится.

Условие когерентности световых волн. Световые волны двух независимых источников света некогерентны (за исключением лазеров). Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными обрывками (цугами) синусоидальных волн, имеющих длину около метра. Такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги волн от различных источников сдвинуты друг относительно друга по фазе. Волны от различных источников некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остается постоянной. Поэтому никакой устойчивой картины с распределением максимумов и минимумов освещенности не наблюдается. Для ее достижения приходится прибегать к специальным ухищрениям.

Идеальными когерентными волнами являются две плоские линейно-поляризованные монохроматические волны одной частоты, электрические векторы которых параллельны.

Монохроматическое излучение

Монохроматическое излучение — электромагнитное излучение одной определенной и строго постоянной частоты.

Происхождение термина «монохроматическое излучение» связано с тем, что различие в частоте световых волн воспринимается человеком как различие в цвете. Однако по своей природе электромагнитные волны видимого диапазона, лежащие в интервале длин волн 0,4-0,7 мкм, не отличаются от электромагнитных волн других диапазонов (инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и т. д.), хотя никакого ощущения цвета эти волны не дают.

Согласно теории электромагнитного излучения Максвелла, любое монохроматическое излучение — это гармоническое колебание, происходящее с неизменной амплитудой и частотой в течение бесконечно долгого времени. Плоская монохроматическая волна такого электромагнитного излучения представляет собой полностью когерентное поле, параметры которого неизменны в любой точке пространства и известен закон их изменения во времени.

Однако процессы излучения всегда ограничены во времени, поэтому понятие «монохроматическое излучение» является идеализацией. Реальное естественное излучение обычно является суммой определенного числа монохроматических волн со случайными амплитудами, частотами, фазами, поляризацией и направлением распространения. Чем уже интервал частот наблюдаемого излучения, тем оно монохроматичнее.

Так, излучение, соответствующее отдельным линиям спектров испускания свободных атомов (например, атомов разреженного газа), очень близко к монохроматическому излучению. Каждая из таких линий соответствует переходу атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Если бы энергии этих состояний имели строго фиксированное значение, атом излучал бы монохроматическое излучение вполне определенной частоты. Однако реально каждый атомный уровень имеет некоторую энергетическую ширину (интервал энергий, которые атом может занимать, находясь на данном энергетическом уровне; это следует из квантовой механики). Поэтому излучение каждой линии спектра соответствует некоторому интервалу частот Δv.

Так как идеальным монохроматическое излучение не может быть по своей природе, то монохроматическим считается излучение с узким спектральным интервалом, который можно приближенно считать одной частотой (или длиной волны).

Опыт Юнга

Естественные источники света некогерентны, поэтому от них невозможно наблюдать интерференционную картину. Однако если световой поток от естественного источника разделить на два, а затем свести вместе, то можно наблюдать устойчивую интерференционную картину. Впервые это удалось осуществить английскому ученому Томасу Юнгу (рис. 3.104).

Солнечный свет падал на экран с узкой щелью. Световая волна, прошедшая через эту щель, падала на экран с двумя щелями такой же ширины, находящимися на расстоянии dпорядка нескольких микрон (рис. 3.104, а). В результате деления фронта волны световые волны, идущие от щелей, были когерентными и создавали на экране устойчивую интерференционную картину. Ход лучей изображен на рис. 3.104, б. При условии, что d ˂˂ R поэтому лучи S1 S2 практически параллельны, а угол α мал и поэтому sin α ≈ tgα, из рассмотрения хода лучей можно получить условия интерференционных максимумов и минимумов на экране:

где m = 0, ±1; ±2;...; уm — координата точки на экране, Δ — оптическая разность хода.

В свою очередь Δ равно геометрической разности пути, умноженной на показатель преломления n:

В данном случае n ≈ 1 (воздух). Однако n следует учитывать во всех случаях, когда интерферирующие лучи (или один из них) распространяются в средах с показателем преломления λ/2 в случае отражения света от оптически более плотной среды (среды с большим показателем преломления), например при рассмотрении интерференции на тонких пленках.

Поскольку солнечный свет содержит электромагнитные волны разной длины (соответственно, разного цвета), то интерференционная картина представляла собой чередующиеся полоски, окрашенные во все цвета радуги. Каждому цвету (каждой длине волны монохроматического света) соответствует своя разность хода. Юнг впервые измерил длины волн в разных областях видимого света, рассчитав их по формуле:

где m = 0, ±1; ±2; ...

Совпадение нулевых максимумов для различных длин волн означает, что в центре экрана белая полоска. Для остальных, как видно из (3.32), чем больше длина волны, тем дальше отстоит m-ый максимум от центра.