2. Интерференция света

2.1. Интерференция света. Когерентность

Если в пространстве распространяются две волны, то в каждой точке результирующее колебание представляет собой геометрическую сумму колебаний, соответствующих каждой из складывающихся волн. Это утверждение называется принципом суперпозиции волн. Принцип суперпозиции волн соблюдается обычно с большой точностью и нарушается только при распространении волн в какой-либо среде, если амплитуда (интенсивность) волн очень велика.

Рис. 2.1

Физически содержание принципа суперпозиции для электромагнитных волн означает, что если в среде распространяется несколько электромагнитных волн, то среда реагирует на каждую волну так, как будто других волн нет. Математически это означает, что напряженность электрического поля и индукция магнитного поля в любой точке пространства и в любой момент времени равны соответственно векторной сумме напряженностей и магнитных индукций всех полей в данной точке. К наиболее интересным и красивым явлениям, которые возникают вследствие суперпозиции волн, относятся явления интерференции и дифракции света, являющиеся наиболее яркими проявлениями волновой природы света.

Рис. 2.2

Под интерференцией света понимают широкий круг явлений, в которых при наложении световых пучков результирующая интенсивность в любой точке не равна сумме интенсивностей отдельных пучков. В результате интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве: в одних местах интенсивность света больше суммы интенсивностей двух или нескольких волн, в других – меньше. Поэтому интерференционная картина представляет чередование светлых и темных полос. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.

При падении дождевых капель на гладкую поверхность воды от точек их падения распространяются упругие волны. При наложении их друг на друга возникает интерференционная картина.

С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на мокром асфальте, цвета побежалости на поверхности закаленных металлов (рис. 2.1), радужная окраска мыльных пузырей (рис. 2.2), причудливые цветные рисунки на крыльях стрекозы (рис. 2.3) – все это проявления интерференции света.

Рис. 2.3. Взято с сайта http://rwn.boom.ru

Явление интерференции можно наблюдать на волнах любой природы: упругих (например, звуковых волнах или волнах на поверхности воды) электромагнитных (например, радиоволн или световых волн). Однако повседневный опыт учит, что интерференцию света в действительности наблюдать не просто. Если в комнате горят две одинаковые лампочки, то в любой точке складываются интенсивности света и никакой интерференции не наблюдается. Для наблюдения интерференции любых волн требуется выполнение определенного условия: волны должны быть когерентными.

Когерентность колебаний. Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении.

Пусть в некоторую точку пространства одновременно приходят две электромагнитные волны, напряженности электрических полей в которых и . Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность результирующего поля в этой точке равна сумме напряженностей и :

(2.1)

Энергия волны пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Для двух перекрывающихся пучков она пропорциональна

(2.2)

Воздействие света на любое регистрирующее устройство состоит в передаче ему энергии, переносимой волной. Ни один приемник света не измеряет мгновенное значение напряженности. Всем приемникам света присуща определенная инерционность. Её можно характеризовать временем установления или разрешения приемника . Для глаза время разрешения – это время, в течение которого глаз сохраняет зрительное ощущение, то есть видит свет даже тогда, когда излучение перестало в него попадать. У фотоматериала . Наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники имеют время разрешения . Однако даже такие времена очень велики по сравнению с периодами оптических колебаний. Средний период колебаний электромагнитного поля в оптической области спектра составляет . Поэтому ни один приемник света не позволяет измерить мгновенные значения напряженности электрического поля в световой волне. Для этого время разрешения приемника должно было бы быть мало по сравнению с периодом световых колебаний. Все приемники могут измерять только величины, усредненные за времена, не меньшие времени разрешения приемника. Поэтому выражение (2.2) усредняют, и средние значения интенсивности за относительно большое время сравнивают с данными опыта: