Интерференция световых волн

Свет – сложное физическое явление, ведущее себя в одних случаях как электромагнитная волна, в других представляет собой поток частиц, названных фотонами. Волны называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени. Очевидно, что когерентными могут быть лишь волны, имеющие одинаковую частоту. Интерференцией волн называется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Так как для когерентных источников разность начальных фаз ₁-₂=const, то результат наложения двух волн в различных точках зависит от величины =r₁-r₂, называемой разностью хода волн. В точках, где k(r₁-r₂)-(₁-₂)=2m (m=0,1,2,…), наблюдается интерференционный максиму: амплитуда результирующего колебания A=A₀/r₁+A₀/r₂. В точках, где k(r₁-r₂)-(₁-₂)=(2m+1) (m=0,1,2,…), наблюдается интерференционный минимум: амплитуда результирующего колебания A=|A₀/r₁+A₀/r₂| называется соответственно порядком интерференционного максимума или минимума.

Интерференция света в тонких пленках

Примером интерференции света, наблюдающейся в естественных условиях, может служить радужная окраска тонких пленок. Образование частично когерентных волн, интерферирующих при наложении, происходит вследствие отражения падающего на пленку света от ее верхней и нижней поверхностей.

Результат интерференции зависит от сдвига фаз, приобретаемого накладывающимися

волнами в пленке и зависящего от их оптической разности хода (разность оптических длин пути этих волн s=s₂-s₁). Интерференция наблюдается только, если удвоенная толщина пластинки меньше длины когерентности падающей волны. При этом в какой-то точке будет максимум , если 2d(n²-sin²i) + ½₀=m₀ (m=0,1,2,…), и минимум, если 2d(n²-sin²i) + ½₀= =½(2m+1)₀ (m=0,1,2,…).

Интерферометры

Явление интерференции применяется в очень точных измерительных приборах, называемых интерферометрами. Все интерферометры основаны на одном и том же принципе и различаются лишь конструкционно.

Лучи 1 и 2 когеренты; следовательно, будет наблюдаться интерференция, результат которой зависит от оптической разности хода луча

1 от точки О до зеркала M₁ и луча 2 от точки О до зеркала М₂. При перемещении одного из зеркал на расстояние ₀/4 разность хода обоих лучей увеличивается на ½₀ и произойдет смена освещенности зрительного поля. Следовательно, по незначительному смещению интерференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр Майкельсона для точного измерения длин (с точностью 10^-7 м).

Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля.

Дифракцией света называется совокупность явлений, которые обусловлены волновой природой света и наблюдаются при его распространении в среде с резко выраженной оптической неоднородностью. В более узком смысле под дифракцией света понимают огибание светом встречных препятствий, т.е. отклонение от законов геометрической оптики. Фронтом волны называется геометрическое место точек, в которых фаза колебаний имеет одно и то же значение. Волновая теория света основывается на принципе Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. При этом считается, что в однородной среде вторичные волны излучаются только вперед, т.е. в направлениях, составляющих острые углы с внешней нормалью к фронту волны. В однородной изотропной среде вторичные волны явл. сферическими. Принцип же Гюйгенса-Френеля добавляет в это определение то, что вторичные источники когерентны и между собой, поэтому возбуждаемые ими вторичные волны интерферируют при наложении;

Метод зон Френеля и прямолинейность распространения света.

С помощью принципа Гюйгенса -Френеля можно обосновать с волновой точки зрения закон прямолинейного распространения света в однородной среде. Пусть S₀ – точечный источник монохроматического света, а М- точка наблюдения. В качестве вспомогательной поверхности возьмем волновую

поверхность радиуса R, который выберем так, чтобы расстояние L от точки М до этой сферы было поряд-

ка R. Разобьем пов ерхность на небольшие по площади кольцевые участки – зоны Френеля. Зоны Френеля – участки волновой поверхности, такие, что расстояния от границ соседних зон до рассматриваемой точки отличаются на пол волны. Фронт волны – геометрическое место точек, которые в любой момент времени начинают колебательные движения. Колебания, возбуждаемые в точке M двумя соседними зонами, противоположна по фазе. Следовательно, амплитуда результирующих колебаний в точке M равна A=A₁-A₂+A₃-A₄+…, где A_i- амплитуда колебаний, возбуждаемых в точке M вторичными источниками, находящимися в пределах одной i-ой зоны. При увеличении i, увеличивается и расстояние r_i от зоны до точки M, и угол £_i между нормалью к поверхности зоны и направлением в точку M. Поэтому, согласно принципу Гюйгенса-Френеля A₁>A₂>A₃>… и A _i  ½(A _i-1+ +A _i+1). Следовательно, амплитуда колебаний в точке M: A=½A₁+(½A₁-A₂+½A₃)+(½A₃-A₄+½A₅)+…=½A₁, т.е. результирующее действие всего открытого волнового фронта равно половине действия первой зоны Френеля, радиус которой очень мал. Таким образом, можно считать, что свет распространяется из S₀ в M прямолинейно.