Явление интерференции электромагнитных волн. Когерентность волн. Особенности интерференции световых волн. Способы наблюдения интерференционных картин

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

Условие когерентности световых волн

Причина состоит в том, что световые волны, излучаемые различными источниками, не согласованы друг с другом. Для получения же устойчивой интерференционной картины нужны согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке пространства. Напомним, что такие согласованные волны с одинаковыми длинами волн и постоянной разностью фаз называются когерентными.

Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для этого достаточно использовать хорошие светофильтры, пропускающие свет в очень узком интервале длин волн. Но невозможно осуществить постоянство разности фаз от двух независимых источников. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн, имеющими длину около метра. И такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги волн от различных источников сдвинуты друг относительно друга по фазе. Волны от различных источников света некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остается постоянной (исключение составляют квантовые источники света – лазеры, созданные в 1960 г.). Никакой устойчивой картины с определенным распределением максимумов и минимумов освещенности в пространстве не наблюдается.

Методы наблюдения интерференции света

Для осуществления интерференции света необходимо получить когерентные

световые пучки, для чего применяются различные приемы. До появления лазеров,

дающих «естественно-когерентное» и очень мощное излучение, во всех приборах для

наблюдения интерференции света когерентные пучки получали разделением и после-

дующим сведением световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Прак-

тически это можно осуществить с помощью экранов и щелей, зеркал и преломляющих

призм. Рассмотрим некоторые из этих методов.

1. Метод Юнга. Источником света служит ярко освещенная щель S (рис.32.2),

от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S1 и S2, парал-

лельные щели-источнику S. Таким образом, щели S1 и S2 играют роль когерентных ис-

точников.

Рис.32.2. Схема опыта Юнга.

Интерференционная картина (область ВС) наблюдает-

ся на экране (Э), расположенном на некотором рас-

стоянии параллельно S1 и S2. Как уже указывалось, Т.

Юнгу принадлежит первое наблюдение явления ин-

терференции.

2. Зеркало Френеля. Свет от источника S (рис. 32.3) падает расходящимся пуч-

ком на два плоских зеркала A1O и A2O расположенных относительно друг друга под

углом, лишь немного отличающимся от 180o

(угол ϕ мал). Используя правила построе-

ния изображения в плоских зеркалах, можно показать, что и источник, и его изображе- 7

ния S1 и S2 (угловое расстояние между которыми равно 2ϕ) лежат на одной и той же

окружности радиуса r с центром в О (точка соприкосновения зеркал).

Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими из

мнимых источников S1 и S2, являющихся мнимыми изображениями S в зеркалах.

Зеркала френеля

Мнимые источники S1 и S2

взаимно когерентны, и исходящие

из них световые пучки, встречаясь

друг с другом, интерферируют в об-

ласти взаимного перекрывания (на

рис. 32.3 она заштрихована). Можно

показать, что максимальный угол расхождения перекрывающихся пучков не может

быть больше 2ϕ. Интерференционная картина наблюдается на экране (Э), защищенном

от прямого попадания света заслонкой (3).

3. Бипризма Френеля. Она состоит из двух одинаковых, сложенных основа-

ниями призм с малыми преломляющими углами. Свет от источника S (рис. 32.4) пре-

ломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые

лучи, как бы исходящие из мнимых источников S1 и S2, являющихся когерентными.

Таким образом, на поверхности экрана (в заштрихованной области) происходит нало-

жение когерентных пучков и наблюдается интерференция.