2.1.1.Интерференция реальных световых волн

Реальные источники света (солнце, лампочки накаливания, электрическая дуга и пр.) испускают свет, не удовлетворяющий ни одно из перечисленных выше условий когерентности. В дальнейшем (см. п.2) мы узнаем, что свет испускается не непрерывно, а отдельными порциями (квантами– «цугами» волн), которые не являются монохроматическими – они представляют собой ограниченную в пространстве комбинацию из большого числа волн различной частоты и интенсивности (рис.3). Свет излучается отдельными атомами, и два цуга волн, излученные последовательно даже одним и тем же атомом, не коррелируют друг с другом ни по фазе, ни по направлению колебаний электрического вектора. Значит ли это, что интерференция реальных световых волн вообще невозможна? Нет, не значит, и интерференцию естественного света мы видели неоднократно. Это – и переливающиеся всеми цветами радуги нефтяные пятна на воде, и «цвета побежалости» на поверхности металла после закалки, и сиреневая окраска объектива фотоаппарата с «просветленной» оптической системой и пр.

Чтобы получить два когерентных световых пучка, нужно каждыйволновой цуг «разделить» на две «половинки». Эти«половинки»удовлетворяют всем условиям когерентности. Поэтому если снова собрать их в некотором пространстве, то каждая «половинка» кванта «найдет» свою половинку и образуется интерференционное поле.

Для «деления» световых квантов придумано много различных устройств. На рис.4 показано одно из таких устройств – бизеркало Френеля. Оно представляет собой два плоских зеркала, расположенных под небольшим угломдруг к другу. Лучи от источника света, отразившись от зеркал, падают на экран Э. В каждой точке экрана собираются лучи, как бы испущенные мнимыми источниками светаи– отражениями источникав зеркалах. Т.к. лучиииспущеныоднимисточником, то каждая световая волна, отразившись от зеркал, как бы делится на

две волны, которые затем вновь встречаются на экране в точке . Но от источникадо точкиобе «половинки» прошлиразныйпуть. На разности хода«половинки» «разбежались» по фазе.

Пусть источник испускает монохроматический свет с длиной волны. Тогда на длинеуложитсядлин волн. Если это число – целое, то максимумы одной «половинки» наложатся на максимумы другой (см. рис.2,а) и в точкемы получимусилениесвета (max). Если же на длинеуложится полуцелое число волн (нечетное число полуволн), то максимумы наложатся на минимумы (рис.2,б) и точкабудет «темной» (min). Эти условия записываются так:

• условие max,

– условие min, (4)

где число k= 0,1,2, ... называетсяпорядкоминтерференционного максимума (минимума).

К сожалению, сдвиг между «половинками» квантов в световых пучках не может быть большим. Цуг видимого света излучается атомом за время с и представляет собой волновой пакет длиной около 3м (см. рис.3). Т.к. световой цуг включает в себя электромагнитные волны в широком диапазоне частот, то взаимное смещение двух «половинок» луча равносильно сдвигу складываемых колебаний по частоте. Чтобы «половинки» оставались когерентными и могли дать интерференционную картину, они должны разойтись относительно друг друга не более чем на некоторую величину, называемуюдлиной когерентности. Для естественного (например солнечного) света длина когерентности составляет всего1мкм (10^-6м)! Это расстояние свет проходит примерно за 10^-15с (время когерентности). Таким образом, для того, чтобы две «половинки» светового цуга интерферировали, они должны отставать друг от друга не более, чем на время когерентности. Такая когерентность световых волн называетсявременной когерентностью.

Расстояние между когерентными источниками ина рис.4 тоже не может быть большим. Максимальное расстояние, при котором лучиS₁AиS₂Aеще могут дать интерференционную картину, называетсярадиусом когерентности.Для солнечного света радиус когерентности составляет0,05 мм. Поэтому уголмежду зеркалами Френеля должен быть достаточно малым. По существу, радиус когерентности – это расстояние между источниками вторичных волн (на фронте волны), которые еще могут интерферировать. Говорят, что такие волны обладаютпространственной когерентностью.