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VLE 3 Wave optics

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Examples for interference (1)

Example:

1 = 2, = 0

 

 

→ amplification

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ2

1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψres

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

3

0,6

0,9

1,2

1,5

8

1

4

7

3

3,3

3,6

3,9

4,2

4,5

8

1

4

7

6

6,3

-0,5

0,

,

,

2,

2,

 

,

,

,

5,

 

1

2

 

4

5

5

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-2,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

Prof. M. Schmidt

Institute of Photonic Technologies, Univ. Erlangen, Germany

Examples for interference (2)

Example:

1 = 2, =

 

 

→ cancellation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψres

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

3

6

9

,2

,5

8

1

4

7

3

3

6

9

2

5

4,8

1

4

7

6

,3

 

0,

0,

0,

1

1

1,

2,

2,

2,

 

3,

3,

3,

4,

4,

5,

5,

5,

 

6

-0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

32

Prof. M. Schmidt

Institute of Photonic Technologies, Univ. Erlangen, Germany

Examples for interference (3)

Example

1 = 2, = 2 /3 → phase shift with same amplitude

 

 

1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψres

 

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

4

7

3

3,3

3,6

3,9

2

5

8

1

5,4

5,7

6

6,3

 

,

,

 

4,

4,

4,

5,

 

 

2

2

 

 

-0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33

Prof. M. Schmidt

Institute of Photonic Technologies, Univ. Erlangen, Germany

Examples for interference (4)

Example:

1 = 2 2

 

 

 

→ beat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψres

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

2

3

4

5

6

17

18

9

0

-0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1

1

1

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Prof. M. Schmidt

Institute of Photonic Technologies, Univ. Erlangen, Germany

Examples for interference (5)

source: www.mseu.de, 07.10.09

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Prof. M. Schmidt

Institute of Photonic Technologies, Univ. Erlangen, Germany

Superposition of two waves

Superposition of two waves with the same wavelength

- /4 < < + /4: constructive interference

/4 < < 3 /4: destructive interference

3 /4 < < 5 /4: constructive interference, etc. Intensity of the resulting superposition at 1 = 2:

I I1 I2 2 I1 I2 cos

Maximal intensity at cos = 1, thus at = 0, ±2 , ±4 , etc.

Completely destructive interference at cos = -1, also bei = ± , ±3 , etc.

When two waves are superposed with the same amplitudes I1 = I2 = I0:

I0

2I0 1 cos 4I0

cos2

 

 

 

Imax 4I0 and Imin

2

Thus:

0

→ Intensity is quadrupled with doubled amplitude

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Prof. M. Schmidt

Institute of Photonic Technologies, Univ. Erlangen, Germany

5. Interference for measurement instrumentation

37

Prof. M. Schmidt

Institute of Photonic Technologies, Univ. Erlangen, Germany

Coherence

Coherence denotes, that there is a distinct phase relation between two waves. It is the condition for interference.

There is a distinction between temporal and spatial coherence. To get interference, there must be temporal and spatial coherence.

Temporally and spatially

Only spatially

Only temporally

coherent

coherent

coherent

time axis

Source: http://de.wikipedia.org, 14.10.2008

 

 

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Prof. M. Schmidt

Institute of Photonic Technologies, Univ. Erlangen, Germany

Coherence length

Coherence length is the distance from a coherent source to a point where a wave maintains a specified degree of coherence. Within this distance, the wave in question is most similar to a perfect sinusoidal wave. The significance is that wave interference will be strong within a coherence length of the source, but not beyond it.

high

and

low

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

coherence lengths

 

 

 

 

 

 

 

Source: http://de.wikipedia.org, 14.10.2008

Coherence lengths for different light sources:

Light source

Coherence length

Sun light

Few µm

Thermal light sources

Up to approx. 500 mm

Laser

Up to several km

 

 

 

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Prof. M. Schmidt

 

Institute of Photonic Technologies, Univ. Erlangen, Germany

 

 

Wave front and amplitude distribution

Generation of two coherent waves: wavefront and amplitude split

Wave front distribution

Amplitude distribution

 

Coherent

partial beam Double slit

Point source

Plane wave

Incoming Coherent beam

cylinder waves

Beam spliter

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Prof. M. Schmidt

Institute of Photonic Technologies, Univ. Erlangen, Germany