6.1. Інтерференція світла

Як відомо, світло має електромагнітну природу і виявляє як хвильові, так і корпускулярні властивості. В одних оптичних явищах в більшому ступені виявляються хвильові властивості, а в інших - корпускулярні.

Розглянемо гармонічну електромагнітну хвилю. В кожній точці простору, в якому поширюється така хвиля, відбувається періодична зміна напруженості електричного і індукції магнітного полів, тобто в деякій точці А, що розташована на відстані х від джерела хвилі, напруженість електричного поля Е змінюється з часом за законом

(6.1)

де - довжина хвилі;- швидкість поширення світла.

Хвиля, що має жорстко визначенуабоє певною абстракцією, такою самою як "точкова маса" або "точковий заряд". Ця абстракція значно полегшує опис та вивчення світлових явищ. Що стосується реального випромінювання, воно, як правило, вміщує набір частот, що називається спектральним складом даного випромінювання. Формула (8.1) стосується ідеально монохроматичного випромінюван­ня, що вміщує лише одну частоту коливань.

Нехай в точку надходить монохроматичне випромі­нювання від двох джерел(рис. 6.1). Якщо вектори напруженостіелектричного поля цих хвиль мають в точціоднаковий напрямок, то результуюча напруженістьв точцістановитимеОдиниця об'єму в оточенні точки(будемо вважати, що цей об'єм заповнений повітрям або вакуумом з відносною діелект­ричною сталоюотримає від хвилі, що поширюється від джерела, енергію електричного поляа від джерелаЕнергія в одиниці об'єму (об'ємна густина енергії) навколо точкищо розрахована по результуючій напруженостінабуває вигляду

Рис. 6.1. Інтерференція монохроматичних світлових хвиль від двох джерел

тобто перебільшує суму енергій, що надсилаються в цей об'єм джереламиНібито порушується закон збереження енергії? Але ми не врахували ту обставину, що в сусідніх точках середовища (наприклад, в точці В), куди світлові хвилі надходять, маючи протилежно спрямовані векториенергія в одиниці об'єму, розрахована по результуючій напруженостівиявляється меншою за суму енергій, що надсилаються в цей об'єм джере­лами

Якщо то в точцідві хвилі, додаючись, дадуть темряву.

Таким чином, внаслідок накладання світлових хвиль відбувається перерозподіл енергії цих хвиль в просторі. Додавання кількох світлових хвиль, внаслідок якого утворюється чергування світлих та темних дільниць, тобто відбувається перерозподіл енергії цих хвиль в просторі, називається інтерференцією світла.

6.1.1. Інтерференція від двох когерентних світлових джерел

Розглянемо найпростіший випадок інтерференції моно­хроматичних світлових хвиль від двох однакових джерел. Припустимо, що ці джерела випромінюють хвилі в однакових фазах. В цьому випадку фази векторів в будь-якій точці залежатимуть від відстанейцієї точки до джерелОтже, якщо

то

(6.2)

В тих точках, де аргумент косинуса дорівнює непарній кількості тобто

(6.3)

значення , а отже, і результуюча напруженість електричного поляв будь-який момент часу дорів­нюватиме нулю, тобто світлові хвилі гасять одна одну.

Знайдемо розташування точок, в яких буде відбуватися "гасіння" двох монохроматичних світлових хвиль з однако­вою амплітудою Оскількито з (6.3) маємо

(6.4)

Таким чином, в точках, що знаходяться від джерел іна відстанях, які задовольняють умові (6.4), світла не буде.

Розташування точок, в яких амплітуда сумарної напруженостімає максимум, визначається умовою

звідки

(6.5)

тобто різниця ходу дорівнює в цьому випадку парній кількостіпівхвильОтже, (6.4) є умовою гасіння світла, а (6.5) - його підсилення.

Якщо хвилі 1 і 2 поширювались в різних середовищах до точки, в якій спостерігалася інтерференція, то умови гасіння та підсилення світла виглядатимуть відповідно:

де - абсолютні показники заломлення середовищ.

Добуток геометричного шляху на показник заломлення, тобто називається оптичною довжиною шляху, а величина-оптичною різницею ходу інтерферуючих хвиль.

Таким чином, максимуми спостерігаються в тих точках, для яких оптична різниця ходу інтерферуючих хвиль дорівнює парній кількості півхвиль, а мінімуми - в тих точках, для яких оптична різниця ходу дорівнює непарній кількості півхвиль.

Необхідно підкреслити, що для постійного взаємного підсилення або гасіння світлових хвиль у будь-якій точці простору різниця фаз хвиль, що надходять в цю точку, не повинна змінюватись з часом. Світлові хвилі однакової довжини та поляризації, що надходять в певну точку з незмінною в часі різницею фаз, називаються когерентни­ми. Таким чином, лише когерентні хвилі здатні утворювати інтерференційну картину, що не змінюється з часом. Саме тому її можна спостерігати візуально, фотографувати тощо.

Два різних джерела невзмозі давати когерентні хвилі через такі причини:

1) збудження елементарних джерел світла (атомів, молекул) внаслідок їх участі в тепловому русі відбувається цілком хаотично, а отже, і фази випромінюваних ними світлових хвиль змінюються з часом також хаотично;

2) час випромінювання монохроматичної хвилі, напру­женість електричного поля в якій визначається формулою (6.1), триває приблизно За цей час хвиля поши­рюється на відносно коротку відстань

тобто монохроматична хвиля (інколи кажуть хвильовий цуг) зосереджена в просторовому інтервалі порядка 3 м. Різні джерела одночасно випромінюють безліч монохроматичних хвиль з різними частотами і напрямками коливань напруженості електричного поля. За цих умов ймовірність зустрічі в одній точці простору двох когерент­них хвиль з однаковою частотою (довжиною хвилі) прак­тично дорівнює нулю. Тому когерентність інтерферуючих хвиль можливо створювати лише штучно - шляхом розді­лення кожної хвилі, яка випромінюється джерелом, на дві, що рухаються до місця зустрічі різними шляхами. Для забезпечення когерентності властивості середовища на шляху променів не повинні змінюватись з часом, а оптична різниця їх ходу не повинна перевищувати 3 м. Когерент­ність світлових променів можна здійснити цілою низкою способів (рис. 6.2, 6.3).

Рис. 6.2. Способи штучного утворення когерентних джерел світла.

1. За допомогою дзеркал змушують інтерферувати дві частини однієї хвилі (дзеркало Ллойда, рис. 6.2а; подвійне дзеркало Френеля, рис. 6.2б). Результат отоимуємо такий самий, як від двох когерентних джерел Насправді точкав дзеркалі Ллойда і точкив дзеркалі Френеля не є джерелами світла, а становлять уявні зображення в дзеркалах джерела світла

2. В методі біпризми Френеля (рис. 6.2в) світло від джереласпрямовується на дві тонкі скляні призми, що склеєні своїми основами. Світло, заломлюючись в призмах, утворює два когерентні пучки, котрі перекриваючись, по­трапляють на екран, утворюючи інтерференційну картину віддвох когерентних джерел, нібито розташованих в точках.

3. Використовуються тонкі (прозорі) плівки, на поверх­нях яких інтерферують відбиті та заломлені хвилі (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Інтерференція заломленої та відбитої хвиль на поверхні тонкої прозорої платівки або плівки.

Припустимо, що на прозору плівку товщиною з показником заломлення п падає плоска хвиля. Знайдемо оптичну різницю ходу променів 1 і 2, що інтерферують в точціОпустимо перпендикулярз точкина промінь 2. Промінь 1, заломлюючись і далі зазнавши відбиття від нижньої границі плівки, пройшов довжину шляхув речовині з показником заломленняа промінь 2 –відстаньв повітрі.

Враховуючи, що при відбитті світла від більш оптично густого середовища фаза хвилі змінюється на (тобто загублюється півхвилі), для оптичної різниці ходу променів 1 і 2 маємо

(6.6) Оскількиз (6.6) маємо

Якщо то промені 1 і 2 в результаті інтерференції в точцігасять один одного і в напрямкувідбите світло не спостерігається, тобто вся світлова енергія цілком поступає всередину пластинки і від її поверхні не відбивається. Це явище застосовують в складних оптичних системах для "просвітлення оптики" - методу зменшення втрат світла при відбитті, а отже, збільшення енергії, що прямує до реєструючих систем - фотоплівок, очей тощо. Практично цього досягають шляхом утворення на поверх­нях лінз та призм тонких прозорих плівок з окислу металу. Товщину і показник заломлення плівки підбирають таким чином, щоб промені, відбиті від зовнішньої і внутрішньої поверхонь плівки, взаємно гасили один одного.