Интерференция света. Понятие о когерентности

Явление интерференция – это явление усиления или ослабления амплитуды результирующей волны при наложении двух или нескольких когерентных волн.

Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627—1691 гг.) и Робертом Гуком (1635—1703 гг.). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды.

Когерентными называют волны, у которых частоты одинаковые , а разность фаз не меняется . Таким образом, если волны будут когерентными, то в пространстве образуются устойчивые амплитудные колебания, которые называются интерференционной картиной.Явление интерференция наблюдается при сложении любых когерентных волн.

Классический пример двух когерентных колебаний — это два синусоидальных колебания одинаковой частоты.

Когерентность волны означает, что в различных точках волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Отсутствие когерентности, следовательно — ситуация, когда разность фаз между двумя точками не постоянна, а меняется со временем. Такая ситуация может иметь место, если волна была сгенерирована не единым излучателем, а совокупностью одинаковых, но независимых (то есть нескоррелированных) излучателей.

Когерентность (от латинского cohaerens — находящийся в связи), согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания называются когерентными, если разность их фаз остаётся постоянной во времени и при сложении колебаний определяет амплитуду суммарного колебания. Два гармонических (синусоидальных) колебания одной частоты всегда когерентны. Гармоническое колебание описывается выражением:

х = A cos (2 pvt + j), (1)

где х — колеблющаяся величина (например, смещение маятника от положения равновесия, напряжённость электрического и магнитного полей и т.д.). Частота гармонического колебания, его амплитуда А и фаза j постоянны во времени. При сложении двух гармонических колебаний с одинаковой частотой v, но разными амплитудами A ₁ и А ₂ и фазами j ₁ и j ₂, образуется гармоническое колебание той же частоты. Амплитуда результирующего колебания: (2)

может изменяться в пределах от A ₁ + А ₂ до А ₁ — А ₂ в зависимости от разности фаз j ₁ — j ₂ (). Интенсивность результирующего колебания, пропорциональная А _р² также зависит от разности фаз.

37. Методы наблюдения интерференции в оптике. Интерференция в тонких плёнках. Интерферометры. Применение интерференции.

Опыт Юнга. Прошедший через узкую длинную щель S свет, вследствие дифракции образует расходящийся пучок,который падает на второй экран B с двумя, параллельными между собой узкими щелями S₁ и S₂, расположенными близко друг к другу на равных расстояниях от S. Эти щели действуют как вторичные синфазные источники, и исходящие от них волны, перекрываясь, создают интерференционную картину, наблюдаемую на удаленном экране C. Расстояние между соседними полосами равно: .

Зеркала Френеля. Бипризма Френеля В данном интерференционном опыте, также предложенном Френелем, для разделения исходной световой волны на две используют призму с углом при вершине, близким к 180°.Источником света служит ярко освещенная узкая щель S, параллельная преломляющему ребру бипризмы. Можно считать, что здесь образуются два близких мнимых изображения S ₁ и S ₂ источника S, так как каждая половина бипризмы отклоняет лучи на небольшой угол .

БилинзаБийе. Аналогичное бипризме Френеля устройство, в котором роль когерентных источников играют действительные изображения ярко освещенной щели, получается, если собирающую линзу разрезать по диаметру и половинки немного раздвинуть. Прорезь закрывается непрозрачным экраном А, а падающие на линзу лучи проходят через действительные изображения щели и и дальше перекрываются, образуя интерференционное поле. Интерференция света в тонких плёнках. Луч света, проходя через плёнку толщиной , отразится дважды — отвнутренней и наружной её поверхностей. Отражённые лучи будут иметь постоянную разность фаз, равную удвоенной толщине плёнки, от чего лучи становятся когерентными и будут интерферировать. Полное гашение лучей произойдет при , где — длина волны. Если нм, то толщина плёнки равняется 550:4=137,5 нм.

Лучи соседних участков спектра по обе стороны от нм интерферируют не полностью и только ослабляются, отчего плёнка приобретает окраску. В приближении геометрической оптики, когда есть смысл говорить об оптической разности хода лучей, для двух лучей

— условие максимума;

— условие минимума,

где k=0,1,2... и — оптическая длина пути первого и второго луча, соответственно.

Явление интерференции широко используют для создания различных измерительных и контролирующих устройств.

1. Существуют специальные приборы — интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции. Их назначение — точное измерение длин волн, показателей преломления, коэффициентов линейного расширения и др.

2. Используя явление интерференции, можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до 10^-6 см. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластинкой.

3. Просветление оптики. Отполированная поверхность стекла отражает около 4% перпендикулярно падающего на нее света. Современные оптические приборы состоят из большого числа оптических стекол — линз, призм и т.д. Поэтому общие потери света в объективе фотоаппарата составляют около 25%, в микроскопе — 50% и т.д. В результате освещенность изображения получается малой, ухудшается также качество изображения.

4. Ещё одним важным применением интерференции является голография