Когерентность света

Предыдущее рассмотрение интерференции монохроматических волн носило для света идеализированный характер (для волн на поверхности воды, звуковых волн, или радиоволн описанное явление интерференции вполне типично). Создать две световые монохроматические волны с постоянной разностью фаз достаточно сложно. Дело в том, что поверхность любого светящегося тела состоит из множества точек (атомов), независимо излучающих световые волны. Фазы этих волн никак не связаны между собой. Акт испускания света атомом очень краток, его продолжительность Dt £ 10^-8 с. Поэтому, фазы световых волн, испускаемые разными источниками света, хаотически изменяются со временем, вызывая соответствующие изменения интенсивности света. Поскольку глаз (как и любой другой приёмник излучения) не в состоянии их воспринять раздельно, то ощущает эти вспышки как свечение некоторой усредненной интенсивности. Если изменения разности фаз волн d таковы, что ácosdñ=0, то интенсивность I_p равна сумме интенсивностей двух пришедших в точку Р волн:

I_p=I₁+I₂.

Однако, если ограничить размеры светящейся поверхности, а испускаемые ею световые волны разделить на две и затем вновь наложить эти волны одна на другую, то может наблюдаться стационарная картина интерференции. На Рис. 3 дана простейшая схема на­блюдения интерференционной кар­тины (схема Юнга). Свет от источ­ника проходит через узкую щель S, все точки которой можно рассматривать как вторичные источники света. Разделив цилиндрическую световую волну[1], испускаемую щелью S, на две цилиндрических волны каким-либо устройством (например, при помощи пары щелей S₁ и S₂), позволяющим получить наложение этих волн, мы получим два новых вторичных когерентных между собой источника S₁ и S₂. Действительно, если волны от источников S₁ и S₂ прошли разные пути, то они затратили на это, вообще говоря, различное время. Если время прохождения первой волны t₁, а второй t₂, то в точке наложения волн разность их фаз будет равна d=w(t₁ – t₂). Поскольку w=kv, где v – скорость волны в среде, а k=2p/l – волновое число, то

(9),

где l – длина световой волны в среде, D = r₁ – r₂ = v×(t₁ - t₂) – разность расстояний, пройденных волнами. Величина D называется оптической разностью хода. Как видим, разность фаз волн d оказывается не зависящей от времени и картина интерференции будет стационарной. О колебаниях и волнах, порождающих эти колебания, с не зависящей от времени разностью фаз говорят, что они когерентны. Таким образом, стационарная картина интерференции наблюдается лишь в случае когерентных волн.

Однако и эта схема все еще слишком идеализирована. В ней никак не учтены конечность длин волновых цугов, испускаемых отдельными точками источников света и размеры этих источников. Учет этих обстоятельств накладывает ряд серьезных ограничений на возможность наблюдения интерференции.