Рис. 6.6. Схематическое изображение цуга волн (а), естественного (б) и плоскополяризованного света (в).

Существуют приборы, называемые поляризаторами, при прохождении через которые световая волна становится поляризованной, т. е. колебания вектора напряжённости электрического поля становятся упорядоченными. В дальнейшем будем рассматривать только так называемые плоскополяризованные волны, у которых колебания вектора напряжённости электрического поля происходят в одной плоскости (рис. 6.6 в).

6.7. Интерференция света

В природе монохроматических волн (волн, имеющих строго фиксированную частоту) не существует. Монохроматические волны – это такие волны, которые должны занимать всё пространство от минус бесконечности до плюс бесконечности и колебания физических величин в них должны длиться бесконечно долго. Однако мы знаем, что излучение волн всегда длится конечное время, т. е. излучаются так называемые цуги (отрезки) волн. Это и объясняет отсутствие в природе монохроматических волн.

Вместе с тем любой цуг волн можно представить как суперпозицию монохроматических волн. Это позволяет реальную волну представить в виде суммы некоторого количества монохроматических волн, изучить влияние среды на их поведение, а затем, сложив изменённые взаимодействием со средой монохроматические волны, получить волну, свойства которой будут аналогичны свойствам волны реально взаимодействующей со средой. Таким образом, монохроматические волны являются по сути дела модельными волнами, с которыми удобно работать.

Пусть в некоторую область экрана приходят несколько электромагнитных волн. В этом случае при определённых условиях можно наблюдать устойчивое чередование светлых и тёмных полос, если свет монохроматический, или цветных полос, если свет белый или состоит из волн, имеющих различные частоты. Это имеет место, когда разность фаз колебаний в световых волнах за время наблюдения меняется незначительно (изменение разности фаз гораздо меньше 180о). Такие колебания являются когерентными (согласованными).

Явление наложения волн с образованием устойчивой картины максимумов и минимумов называется интерференцией света.

Первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света был поставлен в 1802 году английским физиком Т.Юнгом (1773–1829). Опыт Юнга выполняется следующим образом (рис. 6.7). Сначала свет направляется на непрозрачную преграду П1 с узкой щелью, затем свет, прошедший через эту щель, падает на вторую непрозрачную преграду П2 уже с двумя узкими

близко расположенными щелями, которые фактически являются источниками света с высокой степенью когерентности. Свет от этих двух щелей попадает на экран (Э), на котором и наблюдается интерференционная картина, состоящая из чередующихся полос различной интенсивности.

Максимумы интенсивности находятся в тех областях экрана, для которых оптическая разность хода кратна целому числу длин волн, а именно, = S2 − S1 = ± mλ , где S1

иS2 – оптический путь первой и второй волны

соответственно, λ – длина волны света, m = 0, 1, 2, 3, . . .

Это означает, что колебания векторов напряжённости электрического поля в данной области экрана синфазны и, следовательно, интенсивность света будет иметь максимальное значение. Минимумы интенсивности имеются там, где оптическая разность хода кратна

напряжённости электрического поля происходят в противофазе и волны гасят друг друга.

6.8. Дифракция света

Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых в среде с резкими неоднородностями (границы непрозрачных или прозрачных тел) и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики. Дифракция, в частности, приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени. Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции (наложения) волн. По историческим причинам перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным числом дискретных когерентных источников, принято называть интерференцией волн. Перераспределение интенсивности, возникающее

вследствие суперпозиции волн, возбуждаемых когерентными источниками, расположенными непрерывно, принято называть дифракцией волн.

Наблюдение дифракции осуществляется обычно по следующей схеме. На пути световой волны, распространяющейся от некоторого источника, помещается непрозрачная преграда, закрывающая часть волновой поверхности световой волны. За преградой располагается экран, на котором при определённых условиях возникает дифракционная картина. Рассмотрим в качестве примера дифракцию от щели, когда волновая поверхность ограничена двумя полуплоскостями, расположенными на расстоянии b друг от друга (рис. 6.8). Если экран располагается близко от щели, то, как показывает опыт и

теоретические расчёты при выполнении условия b2 (lλ) >>1

(l – расстояние от щели до экрана; λ – длина волны света), на экране будет наблюдаться чёткое изображение щели, т. е. в этом случае будет выполняться закон прямолинейного распространения света (рис. 6.8 а).

b

b b

I l I l

Э а

l

Эб

I

Рис. 6.8. Изображение щели на экране при действии законов геометрической оптики (а),

дифракции Френеля (б) и Э в дифракции Фраунгофера (в).

При увеличении расстояния от щели до экрана, когда начинает выполняться условие b2 (lλ) ~ 1, граница света и

тени на изображении щели становится размытой, а распределение интенсивности света в центральной части изображения щели становится неоднородным, а именно, появляются минимумы и максимумы интенсивности (рис. 6.8 б). Это означает, что дифракция света начинает играть существенную роль, и законы геометрической оптики перестают работать. Дифракция света, имеющая