Интерференция света. Когерентные источники.
Интерференцией света называют наложение когерентных волн.
Когерентными называют колебания или волны (а также и их источники) одинаковой частоты, имеющие постоянную во времени разность фаз слагаемых волн в различных точках, которая обусловлена самими источниками колебаний.
В обычных условиях довольно часто встречается наложение световых волн от различных источников, но интерференция света не наблюдается, так как эти источники не когерентны: в каждом из них свет излучается одновременно множеством атомов, поэтому фаза результирующих колебаний быстро и беспорядочно меняется.
Когерентные световые волны, необходимые для осуществления интерференции в опыте можно получить, например, путем разделения на две части световой волны от какого-либо источника, например с помощью зеркал Френеля, бипризмы Френеля, щели Юнга, зеркал Ллойда.
Бипризма Френеля состоит их двух призм с малым преломляющим углом, сложенных основаниями, каждая из призм отклоняет к своему основанию пучок лучей от источника S монохроматического света в виде щели, параллельной общему ребру бипризмы. Выходя из призмы, световые пучки против этого ребра частично накладываются друг на друга и интерферируют между собой. Явление можно рассматривать как наложение волн от двух мнимых когерентных источников S¢.
Щели Юнга. На пути сферической волны, идущей от источника S, устанавливается непрозрачная преграда с двумя щелями. Точки волновой поверхности, дошедшей до преграды, становятся центрами когерентных вторичных волн, поэтому щели можно рассматривать как когерентные источники. На экране наблюдается интерференция.
Мнимое изображение S¢ источника S может быть получено при помощи специального однослойного зеркала Ллойда. Источники S и S¢
можно рассматривать как когерентные. Они создают интерференцию.
Если складываются монохроматические волны, то на эеране наблюдается чередование светлых и темных полос. Светлые полосы образуются волнами, встречающимися в одной и той же фазе, темные полосы образуются волнами, встречающимися в противоположных фазах.
В случае если источник S дает белый свет, то на экране в середине будет светлая полоса белого цвета, так как для максимума нулевого порядка разность хода, равная нулю, одинакова для волн любой длины. По обе стороны светлой полосы (чередуясь с темными полосами - минимумами) симметрично расположатся спектрально окрашенные полосы максимумов 1-ого, 2-ого и других порядков, в которых ближе к нулевому максимуму будут находиться зоны фиолетового цвета (с наименьшей длиной волны), с противоположной стороны - зоны красного цвета (с наибольшей длиной волны).
Рассмотрим интерференцию плоских волн, векторы Е которых перпендикулярны плоскости чертежа. Колебания вектора Е этих волн в некоторой т., удаленной на расстоянии х1 и х2 соответственно от каждого источника, проходят по гармоническому закону:
(1)
Пусть волны распространяются в разных средах с показателями преломления n1 и n2.
Скорости распространения волн соответственно равны:
и ,
где с - скорость света в вакууме. Тогда из (1) следует выражение для разности фаз:
Произведением геометрического пути на показатель преломления среды, т.е. хn, называют оптической длиной пути, а разность этих путей
D = x1 n1 - x2 n2 - оптической разностьюхода. (3)
На основании (2) и (3) получим связь между разностью фаз и оптической разностью хода интерферирующих волн:
Используя законы сложения колебаний и соотношение (4), получим условие максимума интенсивности света при интерференции:
и условие мимимума:
где k = 0, 1, 2, . . .
Следовательно, максимум интерференции наблюдается в тех точках, для которых оптическая разность хода равна целому числу длин волн (четному числу полуволн), минимум - в тех точках, для которых оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн.