Ha az egyik forrásból érkező fényt bizonyos módon, például két nyalábra osztjuk, majd ezeket egymásra helyezzük, akkor a sugarak szuperpozíciójának tartományában az intenzitás egyik pontról a másikra változik. Ebben az esetben bizonyos pontokon elérik az intenzitás maximumát, amely nagyobb, mint e két nyaláb intenzitásának összege, és egy minimumot, ahol az intenzitás egyenlő nullával. Ezt a jelenséget fényinterferenciának nevezik. Ha a kúszó fénysugarak szigorúan monokromatikusak, akkor mindig interferencia lép fel. Ez természetesen nem vonatkozik a valódi fényforrásokra, mivel ezek nem szigorúan monokromatikusak. A természetes fényforrás amplitúdója és fázisa folyamatos ingadozásoknak van kitéve, és ezek nagyon gyorsan következnek be, így az emberi szem vagy egy primitív fizikai detektor nem képes észlelni ezeket a változásokat. A különböző forrásokból származó fénysugarakban a fluktuációk teljesen függetlenek, az ilyen sugarakat kölcsönösen inkoherensnek mondják. Ha az ilyen interferenciaforrásokat egymásra helyezzük, nem észlelhető interferencia; a teljes intenzitás egyenlő az egyes fénysugarak intenzitásának összegével.
Módszerek zavaró fénysugarak előállítására
Van két gyakori módszerek olyan fénynyalábokat fogadnak, amelyek zavarhatják. Ezek a módszerek képezik az interferometriában használt eszközök osztályozásának alapját.
Az elsőben a fénysugár megoszlik, amikor egymáshoz közel lévő lyukakon halad át. Ezt a módszert hullámfront-osztási módszernek nevezik. Csak kis fényforrások használata esetén alkalmazható.
Az első kísérleti beállítást a fény interferenciájának demonstrálására Jung készítette. Kísérletében egy pontszerű monokromatikus forrásból származó fény egy átlátszatlan képernyő két kis lyukára esett, amelyek egymás közelében, a fényforrástól egyenlő távolságra helyezkedtek el. Ezek a képernyőn lévő lyukak másodlagos fényforrásokká, fénysugarakká váltak, amelyekből kiinduló fénysugarak koherensnek tekinthetők. Ezekből a másodlagos forrásokból származó fénynyalábok átfedik egymást, átfedésük tartományában interferenciamintázat figyelhető meg. Az interferenciamintázat világos és sötét sávok kombinációjából áll, amelyeket interferenciaperemeknek nevezünk. Egyenlő távolságra vannak egymástól, és derékszögben irányulnak a másodlagos fényforrásokat összekötő vonalra. Az interferencia peremek a másodlagos forrásokból származó divergens nyalábok átfedési tartományának bármely síkjában megfigyelhetők. Az ilyen interferencia peremeket nem lokalizáltnak nevezzük.
A második módszernél a fénysugarat egy vagy több felületre osztják, amelyek részben visszaverik, részben áteresztik a fényt. Ezt a módszert amplitúdóosztásos módszernek nevezik. Kibővített forrásokhoz használható. Előnye, hogy segítségével nagyobb intenzitás érhető el, mint az elülső felosztás módszere.
Az amplitúdó elosztásával kapott interferenciamintázat akkor érhető el, ha egy átlátszó anyagú síkkal párhuzamos lemezt kvázi monokromatikus fény pontforrásából származó fénnyel világítunk meg. Ugyanakkor két sugár érkezik bármely pontba, amely a fényforrással azonos oldalon van. Az egyik a lemez felső felületéről, a másik az alsó felületéről verődött vissza. A visszavert sugarak interferálnak és interferenciamintát alkotnak. Ebben az esetben a lemezzel párhuzamos síkban lévő csíkok gyűrű alakúak, amelyek tengelye merőleges a lemezre. Az ilyen gyűrűk láthatósága a fényforrás méretének növekedésével csökken. Ha a megfigyelési pont a végtelenben van, akkor a megfigyelést a végtelenhez alkalmazkodó szemmel vagy a távcső lencséjének fókuszsíkjában végezzük. A lemez felső és alsó felületéről visszaverődő sugarak párhuzamosak. A filmre azonos szögben beeső sugarak interferenciájából származó sávokat egyenlő lejtésű sávoknak nevezzük. (További információ a sík-párhuzamos lemez interferenciájáról az "Interferencia vékony filmekben" című fejezetben található.)
Példák problémamegoldásra
1. PÉLDA
| Gyakorlat | Mi a második fénysáv helyzete Young kísérletében, ha a rések közötti távolság b, a rések távolsága a képernyőtől l. A rések monokromatikus fénnyel vannak megvilágítva, melynek nyert hossza egyenlő . |
| Megoldás | Ábrázoljuk a lyukakból ( és ) a képernyőre jutó fény helyzetét Young kísérletében (1. ábra). A képernyő párhuzamos azzal a síkkal, amelyben a lyukak találhatók. Az 1. ábra alapján megtaláljuk a különbséget a sugarak útjában:
A zavaró fénysugarak maximális feltétele (lásd a "Fény interferencia" részt): A feladat feltételének megfelelően a második interferenciaperem helyzetére vagyunk kíváncsiak, ezért: . Az (1.1) és (1.2) kifejezések alkalmazásával a következőket kapjuk:
Adjuk meg az (1.3) képletből:
|
| Válasz |  m |
2. PÉLDA
| Gyakorlat | Young kísérletében a másodlagos forrásból kiinduló egyik sugár útjába erre a nyalábra merőlegesen n törésmutatójú vékony üveglapot helyeztek. Ebben az esetben a középső maximum eltolódott abba a pozícióba, amelyet korábban az m maximális szám foglalt el. Mekkora a lemez vastagsága, ha a fény hullámhossza? |
| Megoldás | A sugarak útjának különbségét lemez jelenlétében, tekintettel arra, hogy a sugár a normál mentén esik a lemezre, a következőképpen írjuk: |
Ugyanolyan gyakorisággal, majd a találkozási ponton keletkezik interferencia minta. Ha azonban ugyanazt a kísérletet két független, ugyanazt a fényt kibocsátó fényforrással próbáljuk felállítani, akkor nem jön létre interferenciamintázat - mindkét hullám találkozási pontján egyszerűen a fényintenzitás összegzését figyeljük meg.
1675-ben Newton egy különleges installációt készített " Newton gyűrűi amely lehetővé tette számára, hogy megfigyelje interferencia, de nem talált magyarázatot a fénymaximumok és minimumok eredetére.
1801-ben Thomas Young megfigyelhette a fény interferenciáját az installáció segítségével:
.
Fényes Fényforrás C belép az S résbe. Amikor a fényhullám megkerüli ennek a résnek a széleit, pl. van egy jelenség diffrakció, két keskeny S 1 és S 2 rést világít meg. A diffrakció jelensége miatt mindkét résből két hullám jön ki, amelyek részben átfedik egymást. Ebben a tartományban interferencia lép fel, és az M képernyőn az interferencia maximumok és minimumok rendszere látható, amelyek peremek formájában jelennek meg. Thomas Young e peremek eredetét a hulláminterferencia jelenségével magyarázta, és kiszámította hullámhossz, miután megkapta a λ ≈ 5 10 -7 m értéket.
A Young installáción kívül számos egyéb olyan eszközt fejlesztettek ki, amelyek lehetővé teszik a fényinterferencia előfordulását.
Ha az S réssel rendelkező képernyőt eltávolítják Young beállításaiban, akkor a fényforrás közvetlenül megvilágítja az S 1 és S 2 réseket. Ebben az esetben az interferencia-minta eltűnik. De az S foglalat eltávolítása nem változik a fény frekvenciaválasza, és mindkét rés - S 1 és S 2 - azonos frekvenciával sugároz fényhullámokat.
Látható, hogy abban az esetben, ha a frekvenciaegyenlőség feltétele elegendő a szinuszos hullámok összeadásából származó interferencia fellépéséhez, és fényhullámok ez a feltétel nem elég. Az ok a fényhullámok nem szinuszos voltában rejlik, ami döntő szerepet játszik az interferencia esetén.
Amikor hozzá inkoherens hullámok nincs interferencia; a hullám átlagos intenzitása bármely pontban megegyezik az inkoherens hullámok tagjainak intenzitásának összegével.
Az interferenciaminta csak összeadás esetén jelenik meg koherens fényhullámok. Ez lehetővé teszi az S rés jelenlétének magyarázatát Young kísérletében. Ebben az elrendezésben mindkét S 1 és S 2 rés ugyanazon a hullámfronton fekszik, és egy közös gerjeszti őket. vonat Az S résből kiáramló fényhullámok tehát azonos fázisúak, azaz koherens hullámok, amelyek interferenciamintát adnak a képernyőn.
Ha az S rést eltávolítják, akkor az S1 és S2 réseket különböző szakaszokból származó különböző vonatok gerjesztik. Sveta. A mindkét résből érkező hullámok inkoherensek lesznek, és az interferenciamintázat eltűnik.
Minden pontban két térben terjedő hullám adja meg rezgéseinek geometriai összegét. Ezt az elvet hullámok szuperpozíciójának nevezik. Ezt a törvényt hihetetlen pontossággal betartják. Ritka esetekben azonban figyelmen kívül hagyható. Ez azokra a helyzetekre vonatkozik, amikor a hullámok összetett közegben terjednek, amikor intenzitásuk (amplitúdójuk) nagyon megnő. Ez az elv egyesek számára azt jelenti elektromágneses hullámok Egy bizonyos közegben terjedve maga a közeg nagyon sajátos módon reagál - csak egy hullámra reagál, mintha nem lennének a közelben mások. Matematikailag ez azt jelenti, hogy a kiválasztott közeg bármely pontján az elektromágneses tér erőssége és indukciója egyenlő lesz az összes kombinált mező mágneses indukcióinak és erősségének vektorösszegével. Az elektromágneses hullámok szuperpozíciójának elve miatt olyan jelenségek lépnek fel, mint a fény diffrakciója és interferencia. Fizikai szempontból is érdekesek, ráadásul szépségükkel is lenyűgöznek.
Mi az interferencia?
Ez a jelenség csak betartása mellett tekinthető különleges körülmények. A fényinterferencia csillapítási és erősítési sávok kialakulása, amelyek váltakoznak egymással. Az egyik fontos feltétel az elektromágneses hullámok (fénysugarak) egymásra helyezése, számuk kettő vagy több legyen. Az állóhullám speciális eset. Meg kell jegyezni, hogy az interferencia pusztán hullámhatás, amely nem csak a fényre vonatkozik. Az állóhullámban, amely a visszavert vagy beeső hullámon történő szuperponálás következtében jön létre, az intenzitás maximumai (antinódusai) és minimumai (csomópontjai) figyelhetők meg, amelyek váltakoznak egymással.
Alapfeltételek
A hulláminterferencia ezek koherenciájának köszönhető. Mit jelent ez a kifejezés? A koherencia a hullámok fázisbeli konzisztenciája. Ha két különböző forrásból származó hullám egymásra kerül, akkor fázisaik véletlenszerűen változnak. A fényhullámok az atomok sugárzásának következményei, így mindegyikük hatalmas számú komponens szuperpozíciójának eredménye.
Mélypontok és csúcsok
A térben a teljes hullámok "helyes" erősítésének és csillapításának megjelenéséhez szükséges, hogy a kiválasztott pontban hozzáadott komponensek kioltsák egymást. Vagyis hosszú ideig az elektromágneses hullámoknak ellenfázisban kellene lenniük, hogy a fáziskülönbség mindig ugyanaz maradjon. A maximum abban a pillanatban jelenik meg, amikor a komponenshullámok azonos fázisban vannak, vagyis amikor felerősítik őket. A fényinterferenciát egy adott ponton állandó fáziskülönbség mellett figyeljük meg. És az ilyen hullámokat koherensnek nevezik.
természetes források
Mikor figyelhető meg olyan jelenség, mint a fényinterferencia? A természetes forrásokból kisugárzott elektromágneses hullámok inkoherensek, mert különböző atomok véletlenszerűen generálják őket, általában teljesen összeegyeztethetetlenek egymással. Az atom által kibocsátott minden egyes hullám egy szinuszos szegmens, amely abszolút koherens önmagával. Így két vagy több sugárnyalábra kell osztani a forrásból származó egy-egy fényáramot, majd a keletkező sugarakat egymásra kell helyezni. Ebben az esetben képesek leszünk megfigyelni egy olyan jelenség minimumát és maximumát, mint a fényinterferencia.
Átfedő hullámok nézése
Mint fentebb említettük, a fény interferencia egy nagyon tág fogalom, amelyben a fénysugarak intenzitásbeli összeadásának eredménye nem egyenlő az egyes sugarak intenzitásával. Ennek a jelenségnek a következtében az energia újraeloszlása megy végbe a térben - ugyanazok a minimumok és maximumok alakulnak ki. Ezért az interferenciaminta csak a sötét és világos sávok váltakozása. Ha fehér fényt használ, akkor a csíkok különféle színekkel lesznek festve. De a hétköznapi életben mikor találkozunk fényinterferenciával? Ez elég gyakran megtörténik. Megnyilvánulásai: olajfoltok az aszfalton, szappanbuborékok irizáló árnyalataival, fényjáték az edzett fém felületén, rajzok a szitakötő szárnyain. Ez mind a fény interferenciája a vékony filmekben. Valójában ennek a hatásnak a megfigyelése nem olyan egyszerű, mint amilyennek látszik. Ha két egyforma lámpa világít, intenzitásuk összeadódik. De miért nincs interferenciahatás? A válasz erre a kérdésre abban rejlik, hogy nincs ilyen átfedés a legfontosabb feltételnek - a hullámok koherenciájának.
Fresnel biprizma
Az interferenciamintázat létrehozásához vegyünk egy forrást, amely egy keskeny megvilágított rés, amely párhuzamosan a biprizma élével van elhelyezve. A belőle érkező hullám a biprizma felében bekövetkező törés következtében kettészakad, és két különböző módon éri el a képernyőt, azaz útkülönbséggel rendelkezik. A képernyőn, azon a részén, ahol a biprizma felének fénysugarai átfedik egymást, váltakozó sötét és világos csíkok jelennek meg. A löketkülönbség bizonyos okok miatt korlátozott. Minden egyes sugárzási aktus során egy atom úgynevezett hullámsort (elektromágneses hullámrendszereket) bocsát ki, amely térben és időben terjed, megtartva szinuszosságát. Ennek a sorozatnak az időtartamát az atomban lévő részecskék (elektronok) természetes rezgésének csillapítása és ennek az atomnak másokkal való ütközése korlátozza. Ha fehér fényt vezetünk át egy biprizmán, akkor színinterferencia látható, mint a vékony filmeknél. Ha a fény monokromatikus (egy gáz ívkisüléséből származik), akkor az interferenciaminta egyszerűen világos és sötét csíkokból áll. Ez azt jelenti, hogy a különböző színek hullámhossza eltérő, vagyis a fény különböző színű, és hullámhossz-különbség jellemzi.
Szemfedő hullámok szerzése
Ideális fényforrás a lézer (kvantumgenerátor), amely természeténél fogva a stimulált sugárzás koherens forrása. Egy koherens lézervonat hossza elérheti a több ezer kilométert. A kvantumgenerátoroknak köszönhetően a tudósok létrehozták a modern optika egész területét, amelyet koherensnek neveztek. A fizika ezen ága hihetetlenül ígéretes a műszaki és elméleti fejlődés szempontjából.
A hatás alkalmazási területei
Tágabb értelemben a "fény interferencia" fogalma az energiaáramlás térbeli modulációja és sugárzási állapota (polarizáció) több (két vagy több) elektromágneses hullám metszéspontjában. De hol használják ezt a hatást? A fényinterferencia alkalmazása a technológia és az ipar különböző területein lehetséges. Ezt a jelenséget például a megmunkált termékek felületeinek precíziós szabályozására, valamint az alkatrészek mechanikai és termikus igénybevételére, különféle tárgyak térfogatának mérésére használják. A fény interferenciája a mikroszkópiában, az infravörös és az optikai sugárzás spektroszkópiájában is alkalmazásra talált. Ez a jelenség a modern háromdimenziós holográfia és az aktív Raman-spektroszkópia alapja. Alapvetően az interferencia, amint az a példákból is látható, nagy pontosságú mérésekre és törésmutatók kiszámítására szolgál különböző közegekben.
17.2. Módszerek interferenciamintázatok előállítására.
Számos módja van az interferenciamintázatok létrehozásának: Fiatal módszer, Fresnel tükrök, Fresnel biprizma stb. Nézzük meg részletesen Young módszerét.
A készlet forrása egy erősen megvilágított rés S(17.3. ábra), ahonnan a fényhullám két, egyforma távolságra lévő résre esik, ill 
, párhuzamos nyílások S. Így a rések a koherens források szerepét töltik be. Az interferencia-minta a képernyőn látható ( E) bizonyos távolságra a nyílásoktól 
és 
. Ebben a beállításban Jung először észlelte az interferenciát.
17.3. Interferencia vékony filmekben.
Állandó vastagságú lemez. Amikor egy fényhullám egy vékony átlátszó lemezre (vagy filmre) esik, a lemez mindkét felületéről visszaverődik. Ennek eredményeként két fényhullám keletkezik, amelyek bizonyos körülmények között interferálhatnak.
Legyen egy sík fényhullám (egy párhuzamos fénysugár) egy átlátszó síkpárhuzamos lemezre (17.4. ábra). A lemez felületeiről való visszaverődés hatására a fény egy része visszakerül az eredeti közegbe.
Két sugár érkezik bármely P pontba, amely a lemeznek ugyanazon az oldalán található, mint a forrás. Ezek a sugarak interferenciamintát alkotnak.
A csíkok típusának meghatározásához elképzelhető, hogy a sugarak képzeletbeli képekből jönnek ki S 1 és S 2 forrás S a lemez felületei alkotják. A lemezzel párhuzamosan elhelyezett távoli képernyőn az interferencia peremek koncentrikus gyűrűknek tűnnek, amelyek középpontjában a forráson áthaladó lemezre merőlegesen helyezkednek el. S. Ez a tapasztalat kevésbé szigorú követelményeket támaszt a forrás méretével kapcsolatban S mint a fent tárgyalt kísérletek. Ezért lehetséges, mint S kis lyukkal rendelkező segédernyő nélküli higanylámpát használjon, amely jelentős fényáramot biztosít. Egy csillámdarabbal (0,03 - 0,05 mm vastag) fényes interferenciamintát kaphat közvetlenül a mennyezeten és a nézőtér falán. Minél vékonyabb a lemez, annál nagyobb az interferenciamintázat léptéke, pl. nagyobb távolság a csíkok között.
Egyenlő lejtésű csíkok. Különösen fontos egy síkpárhuzamos lemez két felületéről visszavert fény interferencia speciális esete, amikor a megfigyelési pont P a végtelenben van, i.e. a megfigyelést vagy a végtelenbe adaptált szemmel, vagy egy konvergáló lencse fókuszsíkjában elhelyezkedő képernyőn végezzük (17.5. ábra).
Ebben az esetben mindkét sugár innen jön S Nak nek P, egy beeső sugár generál, és a lemez elülső és hátsó felületéről való visszaverődés után párhuzamosak egymással. Az optikai út különbség köztük egy ponton P ugyanaz, mint a vonal DC:
Itt n a lemez anyagának törésmutatója. Feltételezzük, hogy a lemez felett levegő van; . Mivel 
,
(h a lemez vastagsága, 
és 
a beesési és törési szögek a felső felületen; 
), akkor a kapott útkülönbségre
Figyelembe kell venni azt is, hogy ha egy hullám a lemez felső felületéről visszaverődik, a Fresnel-képleteknek megfelelően annak fázisa π-val változik. Ezért a hozzáadott hullámok δ fáziskülönbsége a pontban P egyenlő:
,
ahol 
a hullámhossz vákuumban.
Az utolsó képletnek megfelelően a világos csíkok olyan helyeken helyezkednek el, amelyekre 
, ahol m
– zavaró sorrend. Az adott interferencia-sorrendnek megfelelő sáv a lemezre jól meghatározott α szögben eső fénynek köszönhető. Ezért ezeket a sávokat hívják interferenciaegyenlő lejtésű csíkok.
Ha az objektív tengelye merőleges a lemezre, a peremek koncentrikus gyűrűknek tűnnek, amelyek a fókusz közepén helyezkednek el, és az interferencia maximális sorrendje a kép közepén van.
Egyenlő lejtésű csíkok nem csak visszavert, hanem a lemezen áthaladó fényben is elérhetők. Ebben az esetben az egyik sugár közvetlenül, a másik két visszaverődés után halad át a lemez belsején. A sávok láthatósága azonban alacsony.
Az egyenlő lejtésű sávok megfigyeléséhez a sík-párhuzamos lemez helyett kényelmes a használata michelson interferométer (17.6. ábra). Tekintsük a Michelson-interferométer sémáját: z1 és z2 tükrök. Az áttetsző tükör ezüstözött, és a sugarat két részre osztja - 1-es és 2-es sugárra. A z1-ről visszaverődő és elhaladó sugárnyaláb ad, a z2-ről és távolabbról visszaverődő 2.sugár pedig ad. A lemezek egyforma méretűek, a második sugár útjában lévő különbségek kompenzálására helyezik el. A sugarak koherensek és interferálnak.
Egyenlő vastagságú csíkok (ék interferencia). Olyan interferenciakísérleteket vettünk figyelembe, amelyekben egy forrásból származó fényhullám amplitúdójának megoszlása síkpárhuzamos lemez felületein történő részleges visszaverődés eredményeként következett be. Kiterjesztett forrású lokalizált sávok más körülmények között is megfigyelhetők. Kiderült, hogy egy kellően vékony lemeznél vagy filmnél (amelynek felületének nem kell párhuzamosnak és általában laposnak lennie) megfigyelhető egy interferenciamintázat, amely a tükröző felület közelében lokalizálódik. Az ilyen feltételek mellett megjelenő sávokat ún egyenlő vastagságú csíkok . Fehér fényben az interferencia peremek színesek. Ezért ezt a jelenséget az ún vékony filmek színei. Könnyen megfigyelhető a szappanbuborékokon, a víz felszínén lebegő vékony olaj- vagy benzinrétegeken, a fémek felületén az oltás során megjelenő oxidfilmeken stb.
Tekintsük a változó vastagságú lemezekből (ékből) kapott interferenciamintázatot.
Az ék felső és alsó határáról visszaverődő fényhullám terjedési irányai nem esnek egybe (17.7. ábra). A visszavert és megtört sugarak találkoznak, így az ékről visszaverődő interferenciamintázat lencse használata nélkül is megfigyelhető, ha a képernyőt a sugarak metszéspontjainak síkjába helyezzük (a szemlencse a kívánt helyre kerül) repülőgép).
Interferencia csak az ék 2. tartományában lesz megfigyelhető, mivel az 1. tartományban az optikai útkülönbség nagyobb lesz, mint a koherencia hossz.
Pontinterferencia eredménye 
a képernyőt pedig a jól ismert képlet határozza meg 
,
behelyettesítve a film vastagságát a sugár beesési pontján ( 
vagy 
). A fénynek párhuzamosnak kell lennie (): ha két paraméter egyszerre változik bés α, akkor nem lesz stabil interferenciaminta.
Mivel az ék különböző részeiről visszaverődő sugarak útjában a különbség nem lesz azonos, a képernyő megvilágítása egyenetlen lesz, sötét és világos csíkok jelennek meg a képernyőn (vagy fehér fénnyel megvilágítva színes csíkok , ahogy az a 17.8. ábrán látható). Ezen sávok mindegyike az ék azonos vastagságú szakaszairól való visszaverődés eredményeként keletkezik, ezért ún. egyenlő vastagságú csíkok .
Newton gyűrűi. A 17.9. ábra egy keretet mutat, amelyben két üveglap van befogva. Az egyik enyhén domború, így a lemezek egy ponton érintkeznek egymással. És ezen a ponton valami furcsa figyelhető meg: gyűrűk jelennek meg körülötte. Középen szinte színtelenek, kicsit távolabb a szivárvány összes színében csillognak, a széle felé pedig elvesztik színtelítettségüket, kifakulnak, eltűnnek.
Így néz ki az a kísérlet, amely a 17. században megalapozta a modern optikát. Newton ezt a jelenséget részletesen tanulmányozta, mintákat talált a gyűrűk elrendezésében és színében, és ezeket a fény korpuszkuláris elmélete alapján is megmagyarázta.
Gyűrűegyenlő vastagságú csíkok A kis görbületű lencse érintkező domború gömbfelülete és a sík üvegfelület közötti légrésben megfigyelt ún.Newton gyűrűi .
|
|
A gyűrűk közös középpontja az érintkezési ponton található. Visszavert fényben a középpont sötét, hiszen amikor a légrés vastagsága jóval kisebb, mint a hullámhossz, akkor a zavaró hullámok fáziskülönbsége a két felületen a visszaverődés körülményeinek különbségéből adódik, és közel π. Vastagság h a légrés a távolsággal függ össze rérintési ponthoz:
.
Itt a feltételt használják 
. A normál mentén megfigyelve a sötét sávok, mint már említettük, a vastagságnak felelnek meg 
, tehát a sugárhoz 
m th sötét gyűrűt kapunk
(m
= 0, 1, 2, …).
Ha a lencsét fokozatosan elmozdítjuk az üvegfelülettől, akkor az interferenciagyűrűk a közepe felé zsugorodnak. A távolság növekedésével a kép felveszi korábbi formáját, mivel minden gyűrű helyét egy következő sorrendű gyűrű fogja elfoglalni. A Newton-gyűrűk segítségével, mint Young kísérletében, viszonylag egyszerű eszközökkel közelítőleg meg lehet határozni a fény hullámhosszát.
Így, egyenlő lejtésű csíkok állandó vastagságú lemez megvilágításával kapjuk szórt fény, amely különböző irányú sugarakat tartalmaz. Egyenlő vastagságú csíkok változó vastagságú lemez megvilágításakor figyelhető meg(ék) párhuzamos fénysugár. A lemez közelében azonos vastagságú szalagok találhatók.
| " |
Az interferenciaminták világos vagy sötét sávok, amelyeket egymással fázisban lévő vagy fázison kívüli sugarak okoznak. Superponált fény és hasonló hullámok összeadódnak, ha fázisaik egybeesnek (mind a növekedés, mind a csökkenés irányában), vagy kompenzálják egymást, ha ellenfázisban vannak. Ezeket a jelenségeket konstruktív, illetve destruktív interferenciának nevezzük. Ha egy monokromatikus sugárzás, amelyek mindegyike azonos hullámhosszú, két keskeny résen halad át (a kísérletet először Thomas Young, egy angol tudós hajtotta végre 1801-ben, aki neki köszönhetően jutott a hullám természetére fény), a kapott két nyaláb egy lapos képernyőre irányítható, amelyen két egymást átfedő folt helyett interferenciaperemek képződnek - egyenletesen váltakozó világos és sötét területek mintázata. Ezt a jelenséget például minden optikai interferométerben alkalmazzák.
Szuperpozíció
Valamennyi hullám meghatározó jellemzője a szuperpozíció, amely a szuperponált hullámok viselkedését írja le. Elve az, hogy ha kettőnél több hullámot helyezünk egymásra a térben, a keletkező perturbáció egyenlő az egyes perturbációk algebrai összegével. Néha ezt a szabályt nagy zavarok miatt megsértik. Ez az egyszerű viselkedés számos hatáshoz vezet, amelyeket interferencia jelenségeknek nevezünk.
Az interferencia jelenségét két szélsőséges eset jellemzi. A két hullám konstruktív maximumában egybeesik, és fázisban vannak egymással. Szuperpozíciójuk eredménye a zavaró hatás fokozódása. A kapott vegyes hullám amplitúdója megegyezik az egyes amplitúdók összegével. És fordítva, destruktív interferencia esetén az egyik hullám maximuma egybeesik a második minimumával - ellenfázisban vannak. A kombinált hullám amplitúdója megegyezik a hullám amplitúdóinak különbségével alkotórészei. Abban az esetben, ha egyenlők, a destruktív interferencia teljes, és a közeg teljes perturbációja nulla.
Young kísérlete
A két forrásból származó interferenciaminta egyértelműen jelzi az átfedő hullámok jelenlétét. azt javasolta, hogy a fény olyan hullám, amely engedelmeskedik a szuperpozíció elvének. Híres kísérleti eredménye a konstruktív és destruktív bemutatása volt 1801-ben. Young kísérletének modern változata lényegében csak abban különbözik, hogy koherens fényforrásokat használ. A lézer egyenletesen megvilágít két párhuzamos rést egy átlátszatlan felületen. A rajtuk áthaladó fény egy távoli képernyőn figyelhető meg. Ha a rések közötti szélesség jelentősen meghaladja a hullámhosszt, a geometriai optika szabályait követik - két megvilágított terület látható a képernyőn. Amint azonban a rések egymáshoz közelednek, a fény elhajlik, és a képernyőn megjelenő hullámok átfedik egymást. Maga a diffrakció a fény hullámtermészetének következménye, és egy másik példa erre a hatásra.
interferencia minta
Meghatározza a kapott intenzitáseloszlást a megvilágított képernyőn. Interferenciamintázat akkor lép fel, ha a rés és a képernyő közötti útkülönbség egyenlő a hullámhosszok egész számával (0, λ, 2λ, ...). Ez a különbség biztosítja, hogy a csúcsok egy időben érkezzenek. Pusztító interferencia akkor lép fel, ha az útkülönbség a hullámhosszok egész számú, felére eltolt száma (λ/2, 3λ/2, ...). Jung geometriai érveket használt annak bemutatására, hogy a szuperpozíció egyenletesen elhelyezkedő sávok vagy nagy intenzitású területek sorozatát eredményezi, amelyek megfelelnek a konstruktív interferencia területeinek, amelyeket a teljes destruktív interferencia sötét területei választanak el.
A furatok közötti távolság
A kettős réses geometria fontos paramétere a fény hullámhosszának λ és a d lyukak távolságának aránya. Ha λ/d sokkal kisebb, mint 1, akkor a peremek közötti távolság kicsi lesz, és nem lesz átfedési hatás. A szorosan elhelyezett rések használatával Jung el tudta választani a sötét és világos területeket. Így meghatározta a látható fény színeinek hullámhosszát. Rendkívül kicsi nagyságrendjük megmagyarázza, hogy ezek a hatások miért csak bizonyos körülmények között figyelhetők meg. A konstruktív és destruktív interferencia területeinek elkülönítéséhez a fényhullámok forrásai közötti távolságnak nagyon kicsinek kell lennie.
Hullámhossz
Az interferenciahatások megfigyelése két másik okból is kihívást jelent. A legtöbb fényforrás folytonos hullámhossz-spektrumot bocsát ki, ami többszörös interferenciamintázatot eredményez egymásra, és mindegyiknek saját távolsága van a peremek között. Ez kioltja a legkifejezettebb hatásokat, például a teljes sötétségű területeket.
koherenciát
Annak érdekében, hogy az interferencia hosszabb ideig megfigyelhető legyen, koherens fényforrásokat kell használni. Ez azt jelenti, hogy a sugárforrásoknak állandó fáziskapcsolatot kell fenntartaniuk. Például két azonos frekvenciájú harmonikus hullám mindig rögzített fázisviszonyban áll a tér minden pontjában - akár fázisban, akár ellenfázisban, vagy valamilyen köztes állapotban. A legtöbb fényforrás azonban nem bocsát ki valódi harmonikus hullámokat. Ehelyett olyan fényt bocsátanak ki, amelyben másodpercenként milliószor fordulnak elő véletlenszerű fázisváltozások. Az ilyen sugárzást inkoherensnek nevezzük.
Ideális forrás - lézer
Az interferencia továbbra is megfigyelhető, ha két inkoherens forrás hullámai egymásra helyezkednek a térben, de az interferencia-mintázatok véletlenszerűen változnak, véletlenszerű fáziseltolódással együtt. a szemet is beleértve, nem tud gyorsan változó képet regisztrálni, hanem csak egy időbeli átlagolt intenzitást. A lézersugár majdnem monokromatikus (azaz egy hullámhosszból áll) és nagyon koherens. Ideális fényforrás az interferenciahatások megfigyelésére.
Frekvenciaérzékelés
1802 után a látható fény Jung által mért hullámhossza összefüggésbe hozható az akkoriban rendelkezésre álló nem elég pontos fénysebességgel ahhoz, hogy megközelítse a frekvenciáját. Például zöld fénynél ez körülbelül 6×10 14 Hz. Ez sok nagyságrenddel magasabb a frekvenciánál Összehasonlításképpen: egy személy akár 2×10 4 Hz frekvenciájú hangot is hall. Hogy pontosan mi ingadozott ilyen ütemben, az a következő 60 évben rejtély maradt.
Interferencia vékony filmekben
A megfigyelt hatások nem korlátozódnak a Thomas Young által használt kettős rés geometriára. Amikor a sugarak visszaverődnek és megtörnek két olyan felületről, amelyeket a hullámhosszhoz hasonló távolság választ el egymástól, interferencia lép fel vékony filmekben. A felületek közötti film szerepét vákuum, levegő, bármilyen átlátszó folyadék vagy szilárd anyag töltheti be. Látható fényben az interferenciahatás néhány mikrométeres nagyságrendűre korlátozódik. A film jól ismert példája a szappanbuborék. A róla visszaverődő fény két hullám szuperpozíciója - az egyik az elülső felületről, a második pedig a hátulról verődik vissza. A térben átfedik egymást, és egymásra rakódnak. A szappanfilm vastagságától függően a két hullám konstruktív vagy destruktív kölcsönhatásba léphet. Az interferenciamintázat teljes számítása azt mutatja, hogy egy λ hullámhosszú fény esetén konstruktív interferencia figyelhető meg λ/4, 3λ/4, 5λ/4 stb. filmvastagság esetén, és destruktív interferencia figyelhető meg λ/2 esetén, λ, 3λ/2, ...
Képletek a számításhoz
Az interferencia jelensége számos alkalmazásra talált, ezért fontos megérteni a vele kapcsolatos alapegyenleteket. A következő képletek lehetővé teszik az interferenciához kapcsolódó különböző mennyiségek kiszámítását a két leggyakoribb interferencia esetre.
A világos sávok elhelyezkedése a konstruktív interferenciával járó területeken a következő kifejezéssel számítható ki: y világos. =(λL/d)m, ahol λ a hullámhossz; m = 1, 2, 3, ...; d - a rések közötti távolság; L a cél távolsága.
A sötét sávok, azaz a destruktív kölcsönhatás területeinek elhelyezkedését a következő képlet határozza meg: y sötét. = (λL/d) (m+1/2).
Egy másik típusú interferencia esetében - vékonyrétegeknél - a konstruktív vagy destruktív szuperpozíció jelenléte határozza meg a visszavert hullámok fáziseltolódását, ami a film vastagságától és annak törésmutatójától függ. Az első egyenlet azt az esetet írja le, amikor nincs ilyen eltolódás, a második pedig a félhullámhossz eltolódást írja le:
Itt λ a hullámhossz; m = 1, 2, 3, ...; t a filmben megtett út; n a törésmutató.
megfigyelés a természetben
Amikor a nap rásüt a szappanbuborékra, fényes színsávok láthatók, mivel a különböző hullámhosszak destruktív interferenciának vannak kitéve, és eltűnnek a visszaverődésből. A fennmaradó visszavert fény a távoli színek kiegészítőjeként jelenik meg. Például, ha a destruktív interferencia következtében nincs vörös komponens, akkor a visszaverődés kék színű lesz. A vékony olajréteg a vízen hasonló hatást vált ki. A természetben egyes madarak, köztük a pávák és a kolibri tollai, valamint egyes bogarak héja szivárványosnak tűnik, de a látószög változásával megváltoztatják a színüket. Az optika fizikája itt a vékony rétegű szerkezetekről vagy visszaverő rudak tömbjeiről visszavert fényhullámok interferenciája. Hasonlóképpen, a gyöngyök és a kagylók írisszel rendelkeznek, köszönhetően a több réteg gyöngyház tükröződésének. Az olyan drágakövek, mint az opál, gyönyörű interferencia-mintákat mutatnak a mikroszkopikus gömb alakú részecskék által alkotott szabályos mintákból származó fény szóródása miatt.
Alkalmazás
A fény interferencia jelenségeinek számos technológiai alkalmazása létezik Mindennapi élet. A kamera optikájának fizikája ezekre épül. A lencsék szokásos tükröződésgátló bevonata vékony film. Vastagságát és fénytörését úgy választják meg, hogy a visszavert látható fény destruktív interferenciáját hozza létre. A speciálisabb bevonatok, amelyek több réteg vékony filmből állnak, csak egy szűk hullámhossz-tartományban sugároznak sugárzást, ezért fényszűrőként használják őket. A többrétegű bevonatokat a csillagászati távcsőtükrök, valamint a lézeres optikai üregek visszaverő képességének növelésére is használják. Az interferometria - a relatív távolságok kis változásainak kimutatására használt precíz mérési módszerek - a visszavert fény által létrehozott sötét és világos sávok eltolódásának megfigyelésén alapul. Például az interferenciamintázat változásának mérése lehetővé teszi az optikai komponensek felületének görbületének beállítását az optikai hullámhossz töredékeiben.
Betöltés...