9. Понятие волны. Дифракция, интерференция и поляризация

Понятие волны: Волна́ — изменение состояния  (возмущение), распространяющееся либо колеблющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве. Другими словами, «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой 

Явление взаимного наложения когерентных волн, в результате чего происходит устойчивое пространственное ослабление или усиление интенсивности света в зависимости от фазовых соотношений между этими волнами, называется интерференцией. Интерферировать могут только когерентные волны. Когерентными называют такие волны, которые имеют одинаковые частоты (длины волн) и постоянную разность фаз. Естественные источники света излучают некогерентные волны. Для образования когерентных волн различными методами разделяют волны, идущие от одного точечного источника.

Разность фаз световых волн, распространяющихся в среде, обычно выражают через оптическую разность хода в точке наблюдения. Оптическая разность хода - это разность оптических длин путей двух волн. Оптической длиной пути называется произведение геометрического пути световой волны в среде на ее абсолютный показатель преломления. Итак, оптическая разность хода есть

D= n • Dr, где n – абсолютный показатель преломления среды, Dr – геометрическая разность хода волн.

Разность фаз колебаний Dj = j₁ – j₂ связана с оптической разностью хода соотношением:

где l – длина волны света в вакууме. В интерференционной картине свет будет максимально усиливаться и ослабляться по интенсивности в тех местах, где оптическая разность налагающихся волн равна соответственно четному и нечетному числу длин полуволн:

где k = 0, ±1, ±2, ... .

Ширина Dx светлой (или темной) интерференционной полосы или расстояние между двумя ближайшими темными (или светлыми) полосами на экране определяется по формуле:

где l – расстояние от экрана до источников света, отстоящих друг от друга на расстояние d (при l >>d).

Интерференция в тонких пленках, наблюдаемая в отраженном свете (световая волна падает перпендикулярно поверхности пластинки), определяется формулами:

– усиление интенсивности, если     

– ослабление интенсивности, если     

где k = 0, 1, 2, ... ; h – толщина пленки.

Интерференционные полосы равной толщины в форме концентрических светлых и темных колец наблюдают (обычно в отраженном свете) с помощью прибора, который представляет собой плосковыпуклую линзу, лежащую выпуклой поверхностью на отражающей плоскости. Если монохроматический свет падает перпендикулярно плоской поверхности линзы, то появляются чередующиеся светлые и темные интерференционные кольца, называемыекольцами Ньютона. Их радиусы определяются формулами:

где k – натуральное число, R – радиус выпуклой поверхности линзы.

Дифракция волн – это явление огибания волнами встречающихся препятствий. Дифракция хорошо наблюдается только в том случае, если размеры препятствий (или отверстий) соизмеримы с длинами этих волн. Дифракция световых волн обуславливает отклонение от закона прямолинейного распространения света.

Она объясняется на основе волновой теории света. Согласно принципу Гюйгенса–Френеля каждую точку волнового фронта можно рассматривать как точечный источник вторичных световых волн, которые распространяются по различным направлениям и проникают, таким образом, в область геометрической тени. Вторичные волны когерентны и за препятствием интерферируют.

Дифракция широко применяется на практике. Она осуществляется с помощью дифракционной решетки, представляющей собой совокупность большого числа щелей в непрозрачном экране, которые имеют одинаковую ширину и расположены на равных расстояниях друг от друга. Сумма ширины щели a и ширины b непрозрачного промежутка между щелями называется постоянной (или периодом) решетки:

d = a + b.

При нормальном падении света на плоскую дифракционную решетку положение на экране максимумов освещенности определяется по формуле:

d sin j  = kl,  k = 0, ±1, ±2, ... ,

где d – постоянная решетки, j – угол между нормалью к дифракционной решетке и направлением на дифракционный максимум, k – порядок максимума.

Световые волны являются поперечными, т.е. векторы электрического E и магнитного H полей не только взаимно перпендикулярны, но и оба перпендикулярны к направлению распространения. Если расположить направление распространения в некоторой плоскости, то в световых волнах, излучаемых различными источниками, ориентация векторов E (и, конечно, H) относительно этой плоскости будет различной, не согласованной (случайной). Такой свет называется естественным.

Пропуская его, например, через турмалиновую пластинку, можно выделить волны, в которых вектор E совершает колебания в одной и той же плоскости. Такие волны называются линейно поляризованными. Плоскость, в которой в линейно поляризованной волне лежат векторы E, называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой лежат векторы H, называется плоскостью поляризации.

Естественный свет поляризуется (в основном частично) при отражении от поверхности диэлектриков. Полностью он поляризуется лишь при одном угле падения, определяемом соотношением tg a_Б = n₂₁, где n₂₁ – относительный показатель преломления двух сред. Угол a_Б называется углом Брюстера, или углом полной поляризации. При падении луча на диэлектрик под углом полной поляризации луч отраженный и луч преломленный взаимно перпендикулярны.