В чем состоит явление интерференции света кратко

Обновлено: 05.07.2024

Все знают, что это невозможно. Но вот приходит невежда, которому это неизвестно — он-то и делает открытие.

Альберт Эйнштейн

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Учу детей тому, как надо учиться

Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.

Интерференция света

Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных.

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при определенных условиях при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков.

Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.

Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Интерференцией называется постоянное во времени явление взаимного усиления и ослабления колебаний в разных точках среды в результате наложения когерентных волн.

В результате в пространстве образуется устойчивая картина чередования областей усиленных и ослабленных колебаний.

При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета мыльных пузырей и масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн. Следовательно, в явлении интерференции света соблюдается закон сохранения энергии. В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников). Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.

Из естественных проявлений интерференции света наиболее известно радужное окрашивание тонких плёнок (масляные плёнки на воде, мыльные пузыри, окисные плёнки на металлах), возникающее вследствие интерференции света, отражённого двумя поверхностями плёнки. В тонких плёнках переменной толщины при освещении протяжённым источником локализация интерфереционных колец происходит на поверхности плёнки, при этом данная интерференционная полоса соответствует одной и той же толщине плёнки (полосы равной толщины). В белом свете полосы окрашены.

Радужная окраска крыльев бабочек, стрекоз, жуков, перьев птиц, перламутровых раковин - все это проявление интерференции в тонких пленках.

Явление интерференции света находит широкое применение в современной технике.

Явление интерференции применяется для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики). Отполированная поверхность стекла отражает примерно 4% падающего на нее света. Современные оптические приборы состоят из большого числа деталей, изготовленных из стекла. Проходя через каждую из этих деталей, свет ослабляется на 4%. Общие потери света в объективе фотоаппарата составляют примерно 25%, в призменном бинокле и микроскопе - 50% и т. д. Для уменьшения световых потерь в оптических приборах все стеклянные детали , через которые проходит свет, покрывают пленкой, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла. Толщина пленки равна четверти длины волны.

Интерференция света — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.

Содержание

История открытия

Интерференция света в тонких плёнках

Интерференция в тонкой плёнке. Альфа — угол падения, бета — угол отражения, жёлтый луч отстанет от оранжевого, они сводятся глазом в один и интерферируют.

Получить устойчивую интерференционную картину для света от двух разделённых в пространстве и независящих друг от друга источников света не так легко, как для источников волн на воде. Атомы испускают свет цугами очень малой продолжительности, и когерентность нарушается. Сравнительно просто такую картину можно получить, сделав так, чтобы интерферировали волны одного и того же цуга [1] . Так, интерференция возникает при разделении первоначального луча света на два луча при его прохождении через тонкую плёнку, например плёнку, наносимую на поверхность линз у просветлённых объективов. Луч света, проходя через плёнку толщиной , отразится дважды — от внутренней и наружной её поверхностей. Отражённые лучи будут иметь постоянную разность фаз, равную удвоенной толщине плёнки, отчего лучи становятся когерентными и будут интерферировать. Полное гашение лучей произойдет при " width="" height="" />
, где — длина волны. Если нм, то толщина плёнки равняется 550:4=137,5 нм.

$\lambda=550$

Лучи соседних участков спектра по обе стороны от нм интерферируют не полностью и только ослабляются, отчего плёнка приобретает окраску. В приближении геометрической оптики, когда есть смысл говорить об оптической разности хода лучей, для двух лучей

— условие максимума; — условие минимума,

— оптическая длина пути первого и второго луча, соответственно.

Явление интерференции наблюдается в тонком слое несмешивающихся жидкостей (керосина или масла на поверхности воды), в мыльных пузырях, бензине, на крыльях бабочек, в цветах побежалости, и т. д.

Кольца Ньютона

Другим методом получения устойчивой интерференционной картины для света служит использование воздушных прослоек, основанное на одинаковой разности хода двух частей волны: одной — сразу отраженной от внутренней поверхности линзы и другой — прошедшей воздушную прослойку под ней и лишь затем отразившейся. Её можно получить, если положить плосковыпуклую линзу на стеклянную пластину выпуклостью вниз. При освещении линзы сверху монохроматическим светом образуется тёмное пятно в месте достаточно плотного соприкосновения линзы и пластинки, окружённое чередующимися тёмными и светлыми концентрическими кольцами разной интенсивности. Тёмные кольца соответствуют интерференционным минимумам, а светлые — максимумам, одновременно тёмные и светлые кольца являются изолиниями равной толщины воздушной прослойки. Измерив радиус светлого или тёмного кольца и определив его порядковый номер от центра, можно определить длину волны монохроматического света. Чем круче поверхность линзы, особенно ближе к краям, тем меньше расстояние между соседними светлыми или тёмными кольцами [2] .

Математическое описание

Интерференция двух плоских волн

Пусть имеются две плоские волны:
_1=<\mathbf E>_>\cdot \exp^ t+<\mathbf k>_1 <\mathbf r>_1 + _1)>" width="" height="" />
и _2=<\mathbf E>_>\cdot \exp^ t+<\mathbf k>_2 <\mathbf r>_2 + _2)>" width="" height="" />

По принципу суперпозиции результирующее поле в области пересечения этих волн будет определяться суммой:

$\mathbf E =<\mathbf E> _1 + <\mathbf E>_2$

Интенсивность задается соотношением:

$I=\mathbf <EE> ^*=<\mathbf E>_1 <\mathbf E>^*_1+<\mathbf E>_1 <\mathbf E>^*_2+<\mathbf E>_2 <\mathbf E>^*_1 + <\mathbf E>_2 <\mathbf E>^*_2$

$\mathbf <> Откуда с учетом: I_1=E^2_, I_2=E^2_$
:

$I=I_1+I_2+2<\mathbf E> _><\mathbf E>_>\cdot \cos(<\mathbf k>_1<\mathbf r>_1-<\mathbf k>_2<\mathbf r>_2+_1 - _2)$

$\mathbf <> Для простоты рассмотрим одномерный случай r=(x,0,0)$
и сонаправленность поляризаций волн,
тогда выражение для интенсивности можно переписать в более простом виде:

$I=I_1+I_2+2E_<1_<0> >E_>\cdot \cos[(k_-k_)x+_1 - _2]$

$h=\frac<2\pi> Интерференционная картина представляет собой чередование светлых и темных полос, шаг которых равен: -k_>$

Примером этого случая является интерференционная картина в отраженном от поверхностей плоскопараллельной пластинки свете.

Случай неравных частот

В некоторых учебниках и пособиях говорится о том, что интерференция света возможна только для волн образованных от одного источника света путём амплитудного либо полевого деления волновых фронтов. Это утверждение является неверным. С точки зрения принципа суперпозиции интерференция существует всегда, даже когда интерферируют волны от двух разных источников света. Правильно было бы говорить о наблюдении или возможности наблюдения интерференционной картины. Последняя может быть нестационарна во времени, что приводит к замазыванию и исчезновению интерференционных полос. Рассмотрим две плоские волны с разными частотами:

_1=<\mathbf E>_>\cdot \exp_t+<\mathbf k>_1 <\mathbf r>_1 + _1)>" width="" height="" />
и _2=<\mathbf E>_>\cdot \exp_t+<\mathbf k>_2 <\mathbf r>_2 + _2)>" width="" height="" />

По принципу суперпозиции результирующее поле в области пересечения этих волн будет определяться суммой:

$\mathbf E =<\mathbf E> _1 + <\mathbf E>_2$

Пусть некоторый прибор, обладающий некоторым характерным временем регистрации (экспозиции), фотографирует интерференционную картину. В физической оптике интенсивностью называют усредненный по времени поток световой энергии через единичную площадку ортогональную направлению распространения волны. Время усреднения определяется временем интегрирования фотоприемника, а для устройств, работающих в режиме накопления сигнала (фотокамеры, фотопленка и т. п.), временем экспозиции. Поэтому приемники излучения оптического диапазона реагируют на среднее значение потока энергии. То есть сигнал с фотоприемника пропорционален:

где под <> подразумевается усреднение. Во многих научно технических приложениях данное понятие обобщается на любые, в том числе и не плоские волны. Так как в большинстве случаев, например в задачах связанных с интерференцией и дифракцией света, исследуется в основном пространственное положение максимумов и минимумов и их относительная интенсивность, постоянные множители, не зависящие от пространственных координат, часто не учитываются. По этой причине часто полагают:

Квадрат модуля амплитуды задается соотношением:

$E^2=\mathbf <EE> ^*=<\mathbf E>_1 <\mathbf E>^*_1+<\mathbf E>_1 <\mathbf E>^*_2+<\mathbf E>_2 <\mathbf E>^*_1 + <\mathbf E>_2 <\mathbf E>^*_2$

Откуда, подставляя напряженность электрического поля, получим:

+E^2_+2<\mathbf E>_><\mathbf E>_>\cdot \cos(\Delta\omega t+\Delta<\mathbf >+\Delta\varphi)" width="" height="" />
, где \Delta\omega = <\omega>_1 - <\omega>_2" width="" height="" />
, > = <\mathbf k>_1<\mathbf r>_1-<\mathbf k>_2<\mathbf r>_2" width="" height="" />
, _1 - _2" width="" height="" />

С учётом определения интенсивности можно перейти к следующему выражению:

[1] I=\frac \int_^ E^2 dt = I_1+I_2+2\frac<<\mathbf E>_><\mathbf E>_>> \int_^ \cos(\Delta\omega t+\Delta<\mathbf >+\Delta\varphi) dt" width="" height="" />
, где I_1=E^2_, I_2=E^2_" width="" height="" />
— интенсивности волн

$\mathbf <> Взятие интеграла по времени и применение формулы разности синусов даёт следующие выражения для распределения интенсивности: I=I_1+I_2+2\frac<<\mathbf E>_><\mathbf E>_>> <\Delta\omega\tau>(\sin(\Delta\omega (t_0+\tau)+\Delta \mathbf +\Delta\varphi) - \sin(\Delta\omega t_0+\Delta \mathbf +\Delta\varphi))$

$\mathbf <> I=I_1+I_2+2<\mathbf E>_><\mathbf E>_> \cdot\cos[\Delta\omega (t_0+\frac)+\Delta \mathbf +\Delta\varphi]\cdot \mathrm(\frac<\Delta\omega\tau>)$

В итоговом соотношении слагаемое, содержащее тригонометрические множители, называется интерференционным членом. Оно отвечает за модуляцию интенсивности интерференционными полосами. Степень различимости полос на фоне средней интенсивности называется видностью или контрастом интерференционных полос:

$V=\frac -I_>+I_>=\frac<\mid 2<\mathbf E>_><\mathbf E>_> \cdot \mathrm(\frac<\Delta\omega\tau>)\mid >$

Условия наблюдения интерференции

Рассмотрим несколько характерных случаев:

1. Ортогональность поляризаций волн.

При этом _> \perp <\mathbf E>_>" width="" height="" />
и _><\mathbf E>_>=0" width="" height="" />
. Интерференционные полосы отсутствуют, а контраст равен 0. Далее, без потери общности, можно положить, что поляризации волн одинаковы.

2. В случае равенства частот волн \Delta\omega=0" width="" height="" />
и контраст полос не зависит от времени экспозиции _><\mathbf E>_>>" width="" height="" />
.

3. В случае \Delta\omega\tau\gg 2\pi" width="" height="" />
значение функции (\frac<\Delta\omega\tau>) \simeq 0" width="" height="" />
и интерференционная картина не наблюдается. Контраст полос, как и в случае ортогональных поляризаций, равен 0

4. В случае контраст полос существенным образом зависит от разности частот и времени экспозиции.

Общий случай интерференции

При взятии интеграла в соотношении [1] полагалось, что разность фаз \Delta\varphi" width="" height="" />
не зависит от времени. Реальные же источники света излучают с постоянной фазой лишь в течение некоторого характерного времени, называемого временем когерентности. По этой причине, при рассмотрении вопросов интерференции оперируют понятием когерентности волн. Волны называют когерентными, если разность фаз этих волн не зависит от времени. В общем случае говорят, что волны частично когерентны. При этом поскольку существует некоторая зависимость \Delta\varphi" width="" height="" />
от времени, интерференционная картина изменяется во времени, что приводит к ухудшению контраста либо к исчезновению полос вовсе. При этом в рассмотрении задачи интерференции, вообще говоря и не монохроматическгого (полихроматического) излучения, вводят понятие комплексной степени когерентности \gamma" width="" height="" />
. Интерференционное соотношение принимает вид

$\mathbf <> I=I_1+I_2+2\sqrt\sqrt\cdot \mathrm<\gamma>_ (\frac,\frac)$

Оно называется общим законом интерференции стационарных оптических полей.

Решение упражнений к учебнику Г.Я.Мякишева, Б.Б.Буховцева

1. Как получают когерентные световые волны?

2. В чем состоит явление интерференции света?

3. С какой физической характеристикой световых волн связано различие в цвете?

4. После удара камнем по прозрачному льду возникают трещины, переливающиеся всеми цветами радуги. Почему?

5. Длина волны света в воде уменьшается в л раз (л — показатель преломления воды относительно воздуха). Означает ли это, что ныряльщик под водой не может видеть окружающие предметы в естественном свете?

Явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна.

Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Условия интерференции

Волны должны быть когерентны. Когерентность – согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз.

Все источники света, кроме лазера, некогерентны, однако Т. Юнг впервые пронаблюдал (1802) явление интерференции, разделив волну на две с помощью двойной щели.
Свет от точечного монохроматического источника S падал на два небольших отверстия на экране. Эти отверстия действуют как два когерентных источника света S₁ и S₂.
Волны от них интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: ℓ₁ и ℓ_2.
На экране наблюдается чередование светлых и темных полос.

Условие максимума.

Пусть разность хода между двумя точками ,

тогда условие максимума:
т. е. на разности хода волн укладывается четное число полуволн (k= 1, 2, 3, . ).

Условие минимума

Пусть разность хода между двумя точками ,

тогда условие минимума: ,

т. е. на разности хода волн укладывается нечетное число полуволн (k= 1, 2, 3, . ).

Интерференция света в тонких пленках

Различные цвета тонких пленок — результат интерференции двух волн, отражающихся от нижней и верхней поверхностей пленки. При отражении от верхней поверхности пленки происходит потеря полуволны. Следовательно, оптическая разность хода .

Тогда условие максимального усиления интерферирующих лучей в отраженном свете следующее: .

Если потерю полуволны не учитывать, то .

Кольца Ньютона

Интерференционная картина в тонкой прослойке воздуха между стеклянными пластинами — кольца Ньютона.

Волна 1 — результат отражения ее от точки А (граница стекло —воздух). Волна 2 — отражение от плоской пластины (точка В, граница воздух — стекло). Волны когерентны: возникает интерференционная картина в прослойке воздуха между точками А и В в виде-концентрических колец. Зная радиусы колец, можно вычислить длину волны, используя формулу , где r - радиус кольца, R — радиус кривизны выпуклой поверхности линзы.

Использование интерференции в технике

Проверка качества обработки поверхности до одной десятой длины волны. Несовершенство обработки определяют но искривлению интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности. Интерферометры служат для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн.

Просветление оптики. Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол, линз, призм. Каждая отполированная поверхность стекла отражает около 5% падающего на нее света. Чтобы уменьшить долю отражаемой энергии, используется явление интерференции света.

На поверхность оптического стекла наносят тонкую пленку. Для того чтобы волны 1 и 2 ослабляли друг друга, должно выполняться условие минимума. В отраженном свете разность хода волн равна: . Потеря полуволны происходит при отражении как от пленки, так и от стекла (показатель преломления стекла больше, чем пленки), поэтому, эту потерю можно не учитывать. Следовательно, , где n - показатель преломления пленки; h — толщина пленки. Минимальная толщина пленки будет при k=0. Поэтому . При равенстве амплитуд гашение света будет полным. Толщину пленки подбирают так, чтобы полное гашение при нормальном падении имело место для длин волн средней части спектра (для зеленого цвета):

Чтобы рассчитать толщину пленки в этой формуле необходимо взять длину волны и показатель преломления зеленого света.

Лучи красного и фиолетового цвета ослабляются незначительно.поэтому объективы оптических приборов в отраженном свете имеют сиреневые оттенки

Читайте также: