Интерференция света
Интерференция — взаимное усиление или ослабление двух или большего числа волн при их наложении друг на друга.
В результате интерференции происходит перераспределение энергии светового излучения в пространстве. Устойчивая (стационарная, постоянная во времени) интерференционная картина наблюдается при сложении когерентных волн.
Латинское слово «cohaerens» означает «находящийся в связи». И в полном соответствии с этим значением под когерентностью понимают коррелированное протекание во времени и пространстве нескольких волновых процессов.
Требование когерентности волн — ключевое при рассмотрении интерференции. Разберем его на примере сложения двух волн одинаковой частоты.
Пусть в некоторой точке пространства они возбуждают одинаково направленные (E?1 ↑↑ E?2) колебания: E?1sin(ω?t + φ1) и E?2sin(ω?t + φ2). Тогда величина амплитуды результирующего колебания E?sin(ω?t + φ) равна
E = √(E12 + E22 + 2E1E2cosδ),
где δ = φ1 — φ2. 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 интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды, то в случае сложения некогерентных волн интенсивность результирующей волны I просто равна сумме интенсивностей каждой из волн:
I = I1 + I2.
При сложении же когерентных волн интенсивность результирующего колебания
I = I1 + I2 + 2√(I1I2cosδ),
в зависимости от значения cosδ, может принимать значения и большие, и меньшие, чем I1 + I2. Так как значение δ в общем случае зависит от точки наблюдения, то и интенсивность результирующей волны будет различной в разных точках.
Именно это имелось в виду, когда выше говорилось о перераспределении энергии в пространстве 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.
Обычно используют два способа «деления» — деление волнового фронта и деление амплитуды. При делении волнового фронта интерферируют волновые пучки, первоначально распространявшиеся от одного источника в разных направлениях, которые затем с помощью оптических приборов сводят в одной области пространства (ее называют полем интерференции).
Для этого используют бизеркала и бипризмы Френеля, билинзы Бийе и др.
Чтобы перечислить «цвета» различных участков оптического диапазона в порядке убывания длины волны — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, достаточно вспомнить фразу: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».
При амплитудном делении волна разделяется на полупрозрачной границе двух сред. Затем, в результате последующих отражений и преломлений, разделенные части волны встречаются и интерферируют.
Именно так окрашиваются в разные цвета мыльные пузыри и тонкие масляные пленки на воде, крылья стрекозы и оксидные пленки на металлах и оконных стеклах. Важно, что интерферировать должны дуги волн, испущенные в одном акте излучения атома или молекулы, т. е. части волны должны «недолго» двигаться раздельно, иначе в точку встречи уже придут волны, испущенные разными атомами.
А так как атомы излучают спонтанно (если не созданы специальные условия, как в лазерах), то эти волны будут заведомо некогерентны. В лазерах работает вынужденное излучение и этим достигается высокая степень когерентности.
Явление интерференции света в XVII в. исследовал Ньютон. Он наблюдал интерференцию света в тонком воздушном зазоре между стеклянной пластинкой и положенной на нее линзой. Получающуюся в таком опыте интерференционную картину так и называют — кольца Ньютона.
Однако Ньютон не смог внятно объяснить появление колец в рамках своей корпускулярной теории света. Лишь в начале XIX столетия сначала Т. Юнг, а затем О. Френель сумели объяснить образование интерференционных картин.
И тот, и другой были сторонниками волновой теории света.
В опыте Юнга (а) использовано деление волнового фронта. Два круглых или щелевидных отверстия служили источником когерентных волн. S — дуговая лампа; S0 — щель шириной 0,25 мм; S1 и S2 — щели шириной 0,1 мм на расстоянии 0,7 мм.
На рис. (б) показана интерференционная картина, наблюдаемая по схеме Юнга
