§ 30.2. Классические интерференционные схемы

Выше мы установили, что одним из условий получения интерференционной картины является когерентность взаимодействующих волн, то есть постоянство (в течение времени наблюдения) разности фаз колебаний, возбуждаемых этими волнами. Из (30.5) следует, что разность фаз колебаний будет оставаться постоянной, если частоты взаимодействующих волн совпадают (т.е. волны монохроматические) и разность начальных фаз также остается постоянной. В силу поперечности электромагнитных волн названное условие необходимо дополнить еще одним, а именно: колебания векторов взаимодействующих волн должны совершаться вдоль одного и того же направления. Если направления колебаний векторов у взаимодействующих волн будут отличаться, то контраст интерференционной картины будет ухудшаться, а для взаимно перпендикулярных колебаний интерференция не будет наблюдаться вообще.

Опыт показывает, что при наложении света от двух (или большего числа) независимых источников никогда не удается наблюдать явление интерференции. Связано это с тем, что волны, излучаемые независимыми источниками света, некогерентны. Атомы светящегося вещества (источника света) излучают свет независимо друг от друга. Поэтому начальные фазы соответствующих им цугов^*, излучаемых каждым атомом за один акт, не связаны между собой. Даже для отдельного излучающего атома начальные фазы разных цугов хаотически изменяются от одного акта излучения к другому. Кроме того, ориентация в пространстве вектора различных волн, излученных атомами вещества источника света, хаотична.

Все сказанное справедливо для самопроизвольного (спонтанного) излучения атомов вещества, осуществляющегося во всех источниках света, кроме лазерных. Основой лазерного излучения является вынужденное излучение (когда вторичные волны излучаемых атомов индуцируются первичной волной, в результате чего частоты, начальные фазы и направления колебаний вторичных волн совпадают с аналогичными параметрами первичной волны). Поэтому лазерные источники являются когерентными.

Чтобы создать когерентные волны при помощи обычных тепловых источников света, используют предложенный в 1816 году Френелем прием искусственного разделения света (излучаемого атомами одного и того же источника) на две или несколько волн, которые в силу общности происхождения оказываются когерентными (строго говоря, когерентными являются “родные” половинки цугов, присутствующие в каждой волне). Результат интерференции этих волн зависит от разности фаз , приобретенной ими при прохождении от источников света до рассматриваемой точки интерференционной картины. Следует подчеркнуть, что в силу ограниченности длины цугов наблюдение интерференции возможно только при не слишком больших оптических разностях хода волн ( << l_p).

Рассмотрим несколько классических способов наблюдения интерференционной картины.

Метод щелей Юнга. В этом методе, предложенном в 1802 году английским ученым Т.Юнгом (1773 – 1829), используется непрозрачный экран Э с двумя параллельными узкими щелями, которые и являются источниками когерентных волн S₁ и S₂ (см. рис.30.3). Первичным источником света в этом опыте является ярко освещенная цель S, ширина и угловые размеры () которой должны удовлетворять условию пространственной когерентности света (см. § 30.3). На экране Э₂ в окрестности точки О (месте пересечения оси симметрии с экраном) будут наблюдаться интерференционные полосы, положение и ширина которых соответствует расчетам, приведенным в предыдущем параграфе.

Метод зеркал Френеля (предложен Френелем в 1816 году). Суть этого метода иллюстрируется в помощью рис.30.4. Два плоских зеркала А₁О и ОА₂ расположены под малым углом . Свет от точечного источника S после отражения от обоих зеркал^* распространяется в виде двух пучков с центрами S₁ и S₂, которые являются мнимыми изображениями источника S. Эти пучки имеют общее происхождение и поэтому являются когерентными. В результате суперпозиции когерентных пучков на экране Э в области ВС (области перекрытия пучков) образуется устойчивая картина интерференции. Положения максимумов и минимумов интерференционной картины определяются теми же правилами, что и в случае щелей Юнга, только под d понимается расстояние между мнимыми источниками S₁ и S₂, а под L понимается расстояние от плоскости, в которой находятся мнимые источники S₁ и S₂, до экрана Э.

Метод бипризмы Френеля (предложен в 1816 году). Для получения двух когерентных лучей используется бипризма, которая состоит из двух прозрачных призм (с малыми преломляющими углами), сложенных основаниями (рис.30.5). В результате преломления света, испускаемого источником S, за призмой распространяются уже два расходящихся пучка света, соответствующих мнимым когерентным источникам S₁ и S₂. Условия интерференционных максимумов и минимумов такие же, как и в случае зеркал Френеля.

Метод зеркала Ллойда (предложен ирландским физиком Х.Ллойдом (1800 – 1881) в 1837 году). Прямой пучок света от источника S интерферирует с пучком света, отраженным от зеркала З пол углом , близким к 90 (см. рис.30.6). Таким образом, источниками когерентных волн являются собственно источник света S и его мнимое изображение в зеркале S₁. В отличие от ранее рассмотренных схем, интерференционная картина в опыте Ллойда сдвинута на полполосы, в результате чего на оси симметрии (т.е. в точке О на экране Э) наблюдается не светлая, как обычно, а темная полоса. Указанное смещение интерференционной картины вызвано потерей полдлины волны у отраженного от зеркала (от оптически более плотной среды) пучка света. В остальном характер интерференционной картины такой же, как и в опыте Юнга.

Существует целый ряд других классических схем наблюдения интерференции от обычных тепловых источников света (билинза Бийе, билинза Меслина, пластинка Поля и др.), однако все они основаны на одном и том же приеме деления фронта волны. Использование современных лазерных источников света значительно улучшает контраст интерференционной картины классических схем наблюдения интерференции и, более того, позволяет, в принципе, наблюдать интерференцию от двух монохроматических лазеров (если время регистрации интерференционной картины не превышает долей секунды).