Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 27.Интерференция волн. Особенности интерференции света. Когерентные

27.Интерференция волн. Особенности интерференции света. Когерентные волны, способы их получения. Геометрическая и оптическая разность хода. Условия возникновения интерференционных максимумов и минимумов. Практические способы наблюдения интерференции.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ И ДИФРАКЦИЯ СВЕТА. ГОЛОГРАФИЯ

Под интерференцией света понимают такое сложение све­товых волн, в результате которого образуется устойчивая картина их усиления и ослабления. Для получения иитерференции света необходимо выполнение определенных усло­вий.

'Дифракцией света называют явление отклонения света от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями. Возможность наблюдения дифракции зависит от соотношения длины волны и размеров неоднородностей. Различают с некоторой степенью условности дифракцию сферических волн (дифракция Френеля) и дифракцию плос­копараллельных волн (дифракция Фраунгофера). Описание дифракционной картины возможно с учетом интерференции Ч вторичных волн.

В главе рассматривается голография как метод, основанный на интерференции и дифракции.

КОГЕРЕНТНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА. УСЛОВИЯ ДЛЯ НАИБОЛЬШЕГО УСИЛЕНИЯ И ОСЛАБЛЕНИЯ ВОЛН

Сложение волн, распространяющихся в среде, определяется сло­жением соответствующих колебаний. Наиболее простой случай сложения электромагнитных волн наблюдается тогда, когда их частоты одинаковы и направления электрических векторов сов­падают.

В зависимости от типа источников света результат сложения волн может быть принципиально различным.

Сначала рассмотрим сложение волн, идущих от обычных источ­ников света (лампа, пламя, Солнце и т.п.). Каждый такой источник представляет совокупность огромного количества излучаемых ато­мов. Отдельный атом излучает электромагнитную волну приблизи­тельно в течение 10"8 с, причем излучение есть событие случайное, поэтому и разность фаз Δφ в формуле (24.1) принимает случайные значения. При этом среднее по излучениям всех атомов значение соs Δφ равно нулю. Вместо (24.1) получаем усредненное равенство для тех точек пространства, где складываются две волны, идущие от двух обычных источников света: (E²)=(E²₁)+(E²₂)

Так как интенсивность волны пропорциональна квадрату ампли­туды, то имеем условие сложения интенсивностей I₁ и I₂ волн: I=I₁+I₂.

Это означает, что для интенсивностей излучений, исходящих от двух (или более) обычных световых источников, выполняется дос­таточно простое правило сложения: интенсивность суммарного излучения равна сумме интенсивностей слагаемых волн. Это наб­людается в повседневной практике: освещенность от двух ламп равна сумме освещенностей, создаваемых каждой лампой в отдель­ности.

Если Δφ остается неизменной, наблюдается интерференция света. Интенсивность результирующей волны принимает в разных точках пространства значения от минимального до некоторого максимального.

Интерференция света возникает от согласованных, когерентных источников, которые обеспечивают постоянную во времени разность фаз Δφ слагаемых волн в различных точках. Волны, отвечающие этому условию, называют когерентными.

Интерференция могла бы быть осуществлена от двух синусо­идальных волн одинаковой частоты, однако практически создать такие световые волны невозможно, поэтому когерентные волны получают, <расщепляя> световую волну, идущую от источника. Такой способ применяется в методе Юта. На пути сферичес­кой волны, идущей от источника S, устанавливается непрозрачная преграда с двумя щелями (рис. 24.1). Точки волновой поверхности, дошедшей до преграды, становятся центрами когерентных вторич­ных волн, поэтому щели можно рассматривать как когерентные источники. На экране Э наблюдается интерференция.

Другой метод заключается в получении мнимого изображения S' источника S (рис. 24.2) с помощью специального однослойного зеркала (зеркало Ллойда). Источники S и S’ являются когерентны­ми. Они создают условия для интерференции волн. На рисунке показаны два интерферирующих луча, попадающие в точку А экрана Э.

Так как время г излучения отдельного атома ограничено, то разность хода Ь лучей 1 и 2 при интерференции не может быть слишком большой, в противном случае в точке А встретятся раз­ные, некогерентные волны. Наибольшее значение Ь для интер­ференции определяется через скорость света и время излучения атома: Ь = ст= 3-10⁸*10^-8= 3 м.

Расчет интерференционной картины можно сделать, используя формулу, если известна разность фаз интерферирующих волн и их амплитуды. Практический интерес представляют частные слу­чаи: наибольшее усиление волн — максимум интенсивности (max), наибольшее ослабле­ние — минимум интенсивности (min).

Отметим, что условия максимумов и ми­нимумов интенсивностей удобнее выражать не через разность фаз, а через разность хода, так как пути, проходимые когерентны­ми волнами при интерференции, обычно известны. Покажем это на примере интер­ференции плоских волн /, //, векторы Е которых перпендикулярны плоскости. Колебания вектора Е этих волн в некоторой точке В, удаленной на расстояния х₁ и х₂ соответственно от каждого источника, проис­ходят по гармоническому закону. Максимум при интерференции наблюдается в тех точках, для которых оптическая разность хода равна целому числу длин волн (четному числу полуволн), минимум — в тех точках, для которых оптическая разность хода равна нечетному числу полу­волн.