Интерференция света

пучков. Действие, производимое несколькими световыми лучами отличается от суммы воздействий

всех лучей. Такое явление называется интерференцией
При интерференции происходит увеличение средней интенсивности света в одних областях и уменьшение в других

взаимно, между собой и ferio – ударяю, поражаю) – пространственное

перераспределение энергии света при наложении двух или нескольких световых волн. Интерференция волн – одно из основных свойств волн любой природы (упругих, электромагнитных, в т.ч. световых и др.). Такие характерные волновые явления, как излучение, распространение и дифракция, тоже связаны с интерференцией. Интерференцией света объясняются окраска тонких масляных пленок на поверхности воды, металлический отлив в окраске крыльев насекомых и птиц, появление цветов побежалости на поверхности металлов, фиолеотовый цвет просветленных линз оптических приборов и пр. Некоторые явления интерференции света исследовались еще И. Ньютоном в XVII в., но не могли быть им объяснены с точки зрения его корпускулярной теории. Правильное объяснение интерференции света как типично волнового явления было дано в начале XIX в. Т. Юнгом и О. Френелем.

световых потоков
Монохроматичность световых волн означает неизменность во времени их длин

(частот колебаний)
Любой световой поток можно представить как суперпозицию монохроматичных волн

световых потоков. При этом суммарная интерференционная картина является наложением всех

монохроматических интерференционных картин

длины волны источником, происходит случайное изменение фазы колебаний, это приводит

к случайным быстрым изменениям интерференционной картины. Инерционный фоточувствительный прибор при этом не успевает регистрировать её

тем, что излучение тела слагается из волн, хаотически испускаемых многими

атомами.

Фазы каждого цуга волны, испускаемого отдельным атомом никак не связаны друг с другом.
Атомы излучают хаотически.

в процессе акта излучения одного атома, называется цугом волн или

волновым цугом.

Процесс излучения одного цуга атома длится

Длина цуга

В одном цуге укладывается примерно

длин волн.

источников излучения означает, что колебательные процессы протекают в них согласованно

во времени

волн является их когерентность, т.е. согласованное протекание во времени и

пространстве нескольких колебательных или волновых процессов.
Этому условию удовлетворяют монохроматические волны – волны одной определенной и строго постоянной частоты.

время когерентности

За промежуток времени
разность фаз колебаний
изменится

на π.

Время когерентности – время, по истечению которого разность фаз волны в некоторой, но одной и той же точке пространства, изменяется на π.

одной и той же точке пространства, определяемая степенью монохроматичности волн,

называется временнóй когерентностью.

позволяют наблюдать интерференцию, называются пространственно-когерентными.
Радиусом когерентности

(или длиной пространственной когерентности) называется максимальное, поперечное направлению распространения волны расстояние, на котором возможно проявление интерференции.

Пространственная когерентность

ρк – радиус пространственной когерентности;
λ – длина волны;
θ – угловой размер источника.

ω1t +φ01 – ω2 t – φ02 = const,
откуда следует

(ω1 – ω2)t + φ01 – φ02 = const.
Это справедливо лишь при
ω1 = ω2
Таким образом, условие постоянства во времени разности фаз эквивалентно условиям одинаковости для когерентных лучей циклических частот в вакууме.
2) соизмеримость амплитуд интерферирующих волн,
3) одинаковое состояние поляризации,
4) лучи, пройдя разные пути, встречаются в некоторой точке пространства.

двух источников света S1 и S2. Если векторы напряженности электрических

полей этих волн Е1 и E2 имеют в точке А одинаковое направление, то в этой точке А суммарная напряженность поля E = E1+E2.

Энергия в единице объема, подсчитанная по суммарной напряженности Е:

оказывается больше суммы энергий, подсчитанных по напряженностям E1 и E2.

источников, которые стали излучать одновременно, поэтому фазы векторов Е1 и

Е2 зависят только от расстояний х1 и х2

т.к.

= 0, суммарная напряженность электрического поля Е в любой момент

времени равна нулю, и световые волны взаимно «гасятся».

Подставляя ω = 2π/Т = 2πс/λ, можно найти расположение тех точек, в которых происходит взаимное «гашение» двух монохроматических световых волн (с одинаковой амплитудой E0):

В точках, отстоящих от источников света S1 и S2 на расстояниях, удовлетворяющих условию, света не будет.

себя в интерференции и дифракции.
Пусть

две волны одинаковой частоты, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления:

колебаний возбужденных волнами в некоторой

точке пространства остается постоянной во времени, то такие волны называются когерентными.

В случае некогерентных волн разность фаз

непрерывно изменяется.

член.

,
; в минимуме

, интенсивность

где

; в максимуме

Интенсивность световой волны J пропорциональна квадрату амплитуды А. Тогда суммарная интенсивность:

всюду одинакова и, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн

в отдельности:

-
Оптическая разность хода -
L – оптическая длина пути;

s – геометрическая длина
пути; n – показатель преломления среды.

вторая

Рассмотрим интерференцию двух когерентных волн:

целому числу длин волн (четному числу полуволн )
(7.2.3)

- условие интерференционного

максимума.

Если оптическая разность хода равна полу-целому числу длин волн (нечетному числу полуволн)

(7.2.4)

- условие интерференционного минимума.

Максимумы интенсивности будут наблюдаться в координатах:
(m = 0, 1,

2, …),

а минимумы – в координатах:

- ширина интерференционной полосы.

Измерив

, зная l и d, можно вычислить длину волны λ. Именно так вычисляют длины волн разных цветов в спектроскопии.

с постоянной (не изменяющейся со временем) разностью фаз, называются когерентными.

Когерентные волны дают неизменную со временем интерференционную картину (распределение интенсивности света в пространстве или на экране.

Область пространства, в которой амплитуда результирующей волны усиливается, называется областью конструктивной интерференции, а в которой ослабляется – деструктивной.

хода
с учетом потери
полуволны:

≠ const), представляя собой клин. Пучок параллельный.
Система полос равной толщины
-

максимум (светлая полоса)

- минимум (темная полоса)

лучей широкий и параллельный
1. Цвета тонких пленок
– интерференция при

освещении пленки широким пучком

полосы, при отражении от тонких пленок - окрашены. Поэтому такое

явление называют цвета тонких пленок. Его легко наблюдать на мыльных пузырях, на тонких пленках масла или бензина, плавающих на поверхности воды, на пленках окислов, возникающих на поверхности металлов при закалке, и т.п.

участков клина с одинаковой толщиной, поэтому их называют полосами равной

толщины.

Рис. 7.15

Полосы равной толщины

выпуклой сферической поверхностью линзы малой кривизны и плоской поверхностью стекла,

называют кольцами Ньютона.

кольца

– целое число.
- радиус m-го светлого кольца в отраженном свете

(и темного – в прошедшем)

Условие минимума (темные кольца) ∆ = (m + ½) λ.

- радиус m-го темного кольца в отраженном свете
(и светлого – в прошедшем)

Кольца Ньютона в зеленом и красном свете

Пример применения – проверка качества шлифовки линз.

расстояний и перемещений
Контроль поверхности
Измерение показателя преломления
Голография

зависит от длины волны и разности хода лучей, позволяет по

виду интерференционной картины (или их смещению) проводить точные измерения расстояний при известной длине волны или, наоборот, определять спектр интерферирующих волн (интерференционная спектроскопия).

(в т.ч. фазовые), в которой распространяются волны, или отклонения формы

поверхности от заданной.

сравнения)
– совпадает с изображением зеркала S1 в полупрозрачном слое.

Если зеркало S2 совпадает с референтной плоскостью, то ∆ = 2(L1 – L2) = 0

солнечных батарей
Min интерференции

иллюзию существования объекта, неотличимого от оригинала. В пределах телесного угла,

охватываемого голограммой, изображение объекта можно осматривать с разных направлений, то есть оно является трехмерным. Эти свойства голографии используются в лекционных демонстрациях, при создании объемных копий произведений искусства, голографических портретов (изобразительная голография).

Голография – это способ, который позволяет регистрировать (записывать) волновой фронт, отраженный от предмета, а затем восстанавливать его таким образом, что у наблюдателя возникает полное ощущение, будто он действительно видит реальный предмет. Подобный эффект обусловлен тем, что голографическое изображение получается трехмерным в той же мере, как и реальный предмет.

1948 году. В то время важность этого открытия еще не

была вполне очевидной, и лишь очень немногие исследователи, работавшие в 50-е годы в данной области, страдали от отсутствия подходящего источника света, который обладал бы весьма важным свойством – когерентностью. За это изобретение он получил в 1971 году Нобелевскую премию по физике.

В 1960 году был изготовлен первый лазер. Этот прибор создает свет достаточной когерентности, и американские ученые Иммет Лейт и Юрис Упатниекс смогли использовать его для получения первых голограмм, создававших изображения предметов во всех трех измерениях. Исследования продолжались в последующие годы, и с тех пор на тему голографии были опубликованы сотни научных статей и издано много книг

батарее мобильного телефона. Наносится в качестве знака защиты от подделок.

фотопластинке фиксируется только относительная интенсивность световых волн, отраженных от различных

точек предмета, без учета фазовых соотношений между этими волнами, которые обусловлены различным расстоянием точек предмета от фотопластинки.

Двухлучевая голография. Расширенной линзой пучок света делится на 2 части: одна часть (опорный пучок) падает на зеркало и отражается к фотопластинке. Вторая часть (предметный пучок) падает на предмет, отражается от него и падает на фотопластинку. Опорный и предметный пучки интерферируют и эта картина фиксируется фотопластинкой. В пластинке запечатлена полная структура волны, отраженной от предмета с сохранениями как фазовых состояний, так и относительной интенсивности.
Для восстановления изображения проявленную фотопластинку помещают в то самое положение, в котором она находилась при фотографировании и освещают опорным пучком (предметный пучок перекрывают). Опорный пучок, дифрагирует на голограмме и создается волна, имеющая точно такую же структуру, как волна, отражавшаясяпредметом

как бы висящим в пространстве на месте, где располагался предмет

при съемке голограммы.
Наряду с мнимым возникает еще одна волна, образующая действительное изображение предмета. Оно псевдоскопическое, т.е. имеет рельеф, обратный рельефу предмета – выпуклые места заменены вогнутыми и наоборот. Мнимое изображение может быть сфотографировано обычным путем, если на месте глаза расположить фотоаппарат.

в сторону можно заглянуть за изображение ближнего предмета и увидеть

скрытые до того детали. Это связано с тем, что сместившись в сторону мы воспринимаем изображение от периферической части голограммы, на которую при экспонировании падали также и лучи, отраженные от скрытых предметов. Рассматривая изображения ближних и дальних предметов, приходится, как и при рассматривании самих предметов, по-разному аккомодировать глаз.

Если голограмму расколоть на несколько кусков, то каждый из них при просвечивании дает такую же картину, что и исходная голограмма. Однако, чем меньшая часть голограммы используется для восстановления изображения, тем меньше его четкость (при уменьшении числа штрихов дифракционной решетки ее разрешающая сила уменьшается).