Інтерференція світла

Інтерференція світла — перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладення (суперпозиції) декількох когерентних світлових хвиль. Це явище супроводжується чергуванням в просторі максимумів і мінімумів інтенсивності. Її розподіл називається інтерференційною картиною.

Інтерференція світла — дослід Юнга

Історія відкриття

Вперше явище інтерференції було незалежно виявлено Робертом Бойлем (1627—1691) і Робертом Гуком (1635—1703). Вони спостерігали виникнення різнобарвного забарвлення тонких плівок (інтерференційних смуг), подібних до олійних або бензинових плям на поверхні води. У 1801 році Томас Юнг (1773-1829), ввівши «Принцип суперпозиції», першим пояснив явище інтерференції світла, запропонував термін «інтерференція» (1803) і пояснив «барвистість» тонких плівок. Він також виконав перший демонстраційний експеримент зі спостереження інтерференції світла, отримавши інтерференцію від двох щілинних джерел світла (1802). Пізніше цей дослід Юнга став класичним.

Інтерференція світла в тонких плівках

Інтерференція в тонкій плівці. Альфа - кут падіння, бета - кут відбиття, жовтий промінь відстане від оранжевого, вони зводяться оком в один і інтерферують.

Отримати стійку інтерференційну картину для світла від двох розділених у просторі і незалежних один від одного джерел світла не так легко, як для джерел хвиль на воді. Атоми випромінюють світло цугами дуже малої тривалості, і когерентність порушується. Порівняно просто таку картину можна отримати, зробивши так, щоб інтерферували хвилі одного і того ж цуга. Так, інтерференція виникає при розділенні початкового променю світла на два промені при його проходженні через тонку плівку, наприклад плівку, що наносять на поверхню лінз у просвітлених об'єктивах. Промінь світла, проходячи через плівку товщиною ${\displaystyle d\!}$, відіб'ється двічі — від внутрішньої та зовнішньої її поверхонь. Відбиті промені матимуть постійну різницю фаз, що дорівнює подвоєній товщині плівки, від чого промені стають когерентними і будуть інтерферувати. Повне гасіння променів станеться при ${\displaystyle d={\lambda \over 4}}$, де ${\displaystyle \lambda }$ — довжина хвилі. Якщо ${\displaystyle \lambda =550}$ нм, то товщина плівки дорівнює 550:4=137,5 нм.

Промені сусідніх ділянок спектра по обидва боки від ${\displaystyle \lambda =550}$ нм інтерферують не повністю і лише послаблюються, внаслідок чого плівка набуває забарвлення. Наближено, коли є сенс вести мову про оптичну довжину хвилі променів, для двох променів

${\displaystyle \Delta L=L_{2}-L_{1}=k\lambda }$ — умова максимуму;

${\displaystyle \Delta L=L_{2}-L_{1}=(2k+1)*\lambda /2}$ — умова мінімуму,

де k=0,1,2... і ${\displaystyle L_{1,2}}$ — оптична довжина шляху першого й другого променів.

Явище інтерференції спостерігається в тонкому шарі незмішуваних рідин (гасі або олії на поверхні води), в , бензині, на крилах метеликів, в тощо.

Кільця Ньютона

Докладніше: Кільця Ньютона

Іншим методом одержання стійкої інтерференційної картини для світла служить використання повітряних прошарків, засноване на однаковій різниці ходу двох частин хвилі: однієї − відразу відбитої від внутрішньої поверхні лінзи і інший − що пройшла повітряний прошарок під нею і лише потім відбилася. Її можна отримати, якщо покласти плоско-випуклу лінзу на скляну пластину опуклістю вниз. При освітленні лінзи зверху монохроматичним світлом утворюється темна пляма в місці достатньо щільного зіткнення лінзи і пластинки, оточене темними і світлими концентричними кільцями, які чергуються, різної інтенсивності. Темні кільця відповідають інтерференційним мінімумам, а світлі − максимумам, одночасно темні і світлі кільця є ізолініями рівної товщини повітряного прошарку. Вимірявши радіус світлого або темного кільця і ​​визначивши його порядковий номер від центру, можна визначити довжину хвилі монохроматичного світла. Чим крутіше поверхня лінзи, особливо ближче до країв, тим менше відстань між сусідніми світлими або темними кільцями.

Математичний опис

Інтерференція двох плоских електромагнітних хвиль

Нехай є дві плоскі хвилі:
${\displaystyle {\mathbf {E} }_{1}={\mathbf {E} }_{1_{0}}\cdot \exp ^{i({\omega }t+{\mathbf {k} }_{1}{\mathbf {r} }_{1}+{\varphi }_{1})}}$   і   ${\displaystyle {\mathbf {E} }_{2}={\mathbf {E} }_{2_{0}}\cdot \exp ^{i({\omega }t+{\mathbf {k} }_{2}{\mathbf {r} }_{2}+{\varphi }_{2})}}$

За принципом суперпозиції поле в області їхнього перетину визначатиметься сумою:

${\displaystyle \mathbf {E} ={\mathbf {E} }_{1}+{\mathbf {E} }_{2}}$

Інтенсивність задається відношенням:

${\displaystyle I=\mathbf {EE} ^{*}={\mathbf {E} }_{1}{\mathbf {E} }_{1}^{*}+{\mathbf {E} }_{1}{\mathbf {E} }_{2}^{*}+{\mathbf {E} }_{2}{\mathbf {E} }_{1}^{*}+{\mathbf {E} }_{2}{\mathbf {E} }_{2}^{*}}$

Звідки, з урахуванням,
${\displaystyle \mathbf {} I_{1}=E_{1_{0}}^{2},I_{2}=E_{2_{0}}^{2}}$ :

${\displaystyle I=I_{1}+I_{2}+2{\mathbf {E} }_{1_{0}}{\mathbf {E} }_{2_{0}}\cdot \cos({\mathbf {k} }_{1}{\mathbf {r} }_{1}-{\mathbf {k} }_{2}{\mathbf {r} }_{2}+{\varphi }_{1}-{\varphi }_{2})}$

Для простоти розглянемо одновимірний випадок: ${\displaystyle \mathbf {} r=(x,0,0)}$ і співнапрямленість поляризацій хвиль, тоді вираз для інтенсивності можна переписати в більш простому вигляді:

${\displaystyle I=I_{1}+I_{2}+2E_{1_{0}}E_{2_{0}}\cdot \cos[(k_{1_{x}}-k_{2_{x}})x+{\varphi }_{1}-{\varphi }_{2}]}$

Інтерференційна картина виглядає як чергування світлих і темних смуг, крок яких дорівнює: ${\displaystyle h={\frac {2\pi }{k_{1_{x}}-k_{2_{x}}}}}$

Прикладом цього випадку є інтерференційна картина у відбитому від поверхні плоскопаралельної пластинки світлі.

Випадок нерівних частот

У деяких підручниках і посібниках йдеться про те, що інтерференція світла можлива тільки для хвиль утворених від одного джерела світла шляхом амплітудного або польового ділення хвильових фронтів. Це твердження є невірним. З точки зору принципу суперпозиції інтерференція існує завжди, навіть коли інтерферують хвилі від двох різних джерел світла. Правильно було б говорити про спостереження або можливості спостереження інтерференційної картини. Остання може бути нестаціонарна в часі, що призводить до замазування і зникнення інтерференційних смуг.

Квантова інтерференція світла

В червні 2023 року, дослідники з Брюссельського вільного університету (Бельгія) виявили суперечливий аспект фізики фотонної інтерференції. У науковій статті, опублікованій в Nature Photonics, вони запропонували уявний експеримент, який повністю суперечить загальним знанням про так звану властивість групування фотонів. Спостереження цього аномального ефекту групування, здається, є в межах досяжності сучасних фотонних технологій і, якщо це буде досягнуто, сильно вплине на загальне сучасне розуміння багаточастинкових квантових інтерференцій.

Див. також

• Інтерференція (фізика) — загальний опис інтерференції як хвильового процесу.
• Дифракція
• Цуг хвиль
• Когерентність

Примітки

1. §126. Кольца Ньютона // Элементарный учебник физики. — 13-е изд. — М : , 2003. — Т. 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. — С. 249-266. — .
2. Квантова інтерференція світла: виявлено аномальне явище. 15.06.2023

Література

• Яштолд-Говорко В. А. Фотосъемка и обработка. Съемка, формулы, термины, рецепты, — Изд. 4-е, сокр. — М: «Искусство», 1977.