Лекція 21. Хвильова оптика. Інтерференція світла

21.1 Світлові хвилі. Монохроматичність. Оптична різниця ходу. Когерентність хвиль

1. Світло - це електромагнітні кванти, які сприймає око людини. Електромагнітний квант, із певним наближенням, можна уявляти собі як уривки хвиль, довжина яких лежить у межах 1-3 метра.

2 . Колір світла залежить від частоти електромагнітної хвилі світлового кванта, але прийнято колір світла встановлювати за довжиною електромагнітної хвилі у вакуумі (Рисунок 21.1).

*Діапазон хвиль від 390 до 770 нм називають видимим. (1нм = 10^-9 м)

3. Інтенсивність світла (яскравість) залежить від кількості світлових квантів у світловому пучку. (Більше квантів - яскравіше світло)

4 . Світло, усі кванти якого мають однакову довжину електромагнітної хвилі, називають монохроматичним (світло одного кольору). (Рисунок 21.2)

*Біле світло не монохроматичне - це набір квантів із усіма довжинами електромагнітних хвиль видимого діапазону (Рисунок 21.3).

*Чорний колір – це відсутність електромагнітних квантів.

Когерентність хвиль

Визначення. Когерентністю називають узгоджений у часі і в просторі перебіг кількох коливальних або хвильових процесів.

Тобто світло, усі кванти якого мають однакову довжину електромагнітної хвилі й постійну різницю фаз, називають когерентним.

Д овжина когерентності l_ког

1. Відомо, що світло випромінюється атомами у вигляді квантів. Звідки висновок - когерентність світла обмежена в часі, і час когерентності не може перевищувати часу випромінювання кванту атомом, тобто t_ког < t_випр=10^-8с. Якщо хвиля поширюється в однорідному середовищі, то за час когерентності хвиля поширюється у вакуумі на відстань l_ког, яку називають довжиною когерентності або довжиною цуга (Рисунок 21.4).

2. Визначення. Довжиною когерентності називають відстань, при проходженні якої дві або кілька хвиль втрачають когерентність.

3. Це скалярна величина.

4. l_ког = с·t_ког, с – швидкість світла у вакуумі.

5. [l_ког] = м.

Залежність часу когерентності від монохроматичності

Чим ближче хвиля до монохроматичної, тим менше ширина спектра її частот Δω і більший її час когерентності t_ког і довжина когерентності l_ког.

Наприклад: для видимого сонячного світла (спектр частот 4·10¹⁴<Δω<8·10¹⁴ Гц) t_ког ≈10^-14 с, для теплових джерел (ширина спектральної лінії Δω ≈ 10⁸ Гц) t_ког ≈ 10^-8 с, для лазерів (ширина спектральної лінії Δω ≈ 10² Гц) t_ког ≈10^-8 с.

Тимчасова і просторова когерентність

Розрізняють два види когерентності: 1) тимчасову або поздовжню і 2) просторову або поперечну.

Тимчасова когерентність пов'язана з порушенням гармонійності хвиль у часі, наприклад, із кінцівкою довжини цуга хвиль, що випускаються окремими атомами.

Просторова когерентність пов'язана з фазовими зрушеннями при додаванні вторинних хвиль, випущених із різних точок плоскої хвилі.

Джерела когерентного світла

На даний час використовують такі джерела когерентного світла:

Уявні джерела - отримані шляхом відбивання світла. Цей спосіб ґрунтується на розділенні світлового пучка, отриманого від одного джерела світла при його відбиванні від двох різних поверхонь розподілу середовищ. Це бідзеркала й поверхні тонкої плівки прозорої речовини, наприклад мильної бульбашки або плівки нафтопродуктів на поверхні води.

У явні джерела, отримані шляхом заломлення світла. Цей спосіб ґрунтується на розділенні світлового пучка, отриманого від одного джерела світла при його заломленні на межі розподілу двох середовищ Для цього використовують так звані біпризми – дві вузькі призми, складені малими основами.

Дійсні джерела – це кілька однакових квантових генераторів (лазерів ).

Оптична різниця ходу

Нехай існує два когерентні джерела світла (Рисунок 21.5). Геометрична різниця ходу двох променів від цих джерел буде рівною Dl_г=l₂ - l₁.

Якщо ж світло поширюється у прозорому середовищі (наприклад у склі), то змінюється довжина хвилі (Рисунок 5.6.). Щоб урахувати цю зміну, вводять оптичну різницю ходу–Dl, яку знаходять за формулою: Dl= Dl_г·n

В изначення. Оптичною різницею хода хвилі Dl називаєть добуток геометричної різниці ходу хвилі Dl_г на показник заломлення середовища n.