2. Интерференция света

Интерференция волн — это явление устойчивого во времени усиления или ослабления колебаний в разных точках пространства (пространственное перераспределение энергии), которое происходит при наложении двух или нескольких волн.

Интерференция возможна для волн любой природы. Наиболее интересны проявления интерференции электромагнитных (световых) волн. Интерференция света характеризуется регулярным чередованием в пространстве областей повышенной и пониженной интенсивности света, которые возникают в результате наложения так называемых когерентных световых пучков.

2.1. Интенсивность света

Для световых волн справедлив принцип суперпозиции — следствие линейности дифференциальных уравнений Максвелла. Так как свет имеет электромагнитную природу, то применение принципа суперпозиции означает, что результирующая напряженность электрического (магнитного) поля двух световых волн, проходящих через одну точку, равна векторной сумме напряженностей электрического (магнитного) поля каждой из волн в отдельности.

Как известно, интенсивность электромагнитной волны пропорциональна амплитуде колебаний вектора напряженности электромагнитного поля:

(2.1)

Рассмотрим две электромагнитные волны одинаковой частоты, которые накладываются друг на друга и возбуждают в некоторой точке пространства два колебания одинакового направления: где ₁ и ₂ определяются начальными фазами колебаний и расстояниями, пройденными волнами до точки наложения, но не зависят от времени.

Амплитуду результирующего колебания в данной точке можно найти с помощью векторной диаграммы.

Эта амплитуда Е₀ зависит от разности фаз складываемых колебаний в данной точке. В рассматриваемом случае равенства частот волн разность фаз колебаний не изменяется во времени и равна ₁-₂=const; при этом результирующая амплитуда Е₀ также остается постоянной во времени:

(2.2)

Когерентные волны  это волны, которые возбуждают колебания в точках пространства, разность фаз которых остается неизменной во времени.

Когерентность  это согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов.

Для когерентных волн косинус разности фаз имеет постоянное во времени значение (но свое для каждой точки пространства), так что результирующая интенсивность света, как следует из (2.1) и (2.2), равна

(2.3)

Последнее слагаемое в полученном выражении носит название интерференционного члена. Таким образом, при наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других  минимумы интенсивности. Если интенсивности обеих интерферирующих волн одинаковы (I₁=I₂), то в максимумах I=4I₁, а в минимумах I=0.

Если накладываются некогерентные волны, то в данной точке пространства складываются колебания, разность фаз которых не постоянна во времени и, вообще говоря, принимает случайные значения. Поскольку в этом случае среднее значение косинуса в интерференционном члене равно нулю, наблюдаемая интенсивность света во всех точках пространства представляется просто суммой интенсивностей двух волн:

(2.4)

При равенстве интенсивностей приходящих волн получаем I=2I₁. Когда мы включаем две одинаковые лампочки, и помещение освещается в два раза ярче, чем одной из них, то это означает отсутствие интерференции и проявление соотношения (2.4). Таким образом,

необходимым условием наблюдения интерференции волн является их когерентность.