Понятие интерференция

Интерференцией называется явление перераспределения энергии

в пространстве при суперпозиции электромагнитных волн. При наложении двух (или нескольких) когерентных волн происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности. Такое перераспределение энергии волн происходит в связи с тем, что разность фаз когерентных волн в каждой точке пространства остается постоянной со временем. Так как световые волны в пространстве распространяются независимо друг от друга, то имеет место суперпозиция.

Если разность фаз колебаний возбужденных волнами в некоторой

точке пространства остается постоянной во времени, то такие волны

называются когерентными.

Следовательно,  при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а

в других – минимумы интенсивности. Это явление и называется интерференцией света.

Условие постоянства разности фаз ∆φ=const выполняется в случае:

1. равенства частот складывающихся колебаний (волны монохроматичны);

2. постоянства оптической разности хода волн;

3. постоянство во времени начальных фаз или их разности;

4. одинаковые направления колебаний в волнах.

Таким образом, точечные источники, испускающие монохроматические волны (волны одной частоты), являются источниками когерентных

волн с постоянной начальной фазой. Реальные естественные источники волн в оптическом диапазоне не являются когерентными. Обычно это тепловые источники (солнце, электролампа, свеча, и др.), исследования позволяют достаточно хорошо объяснить свойства этих источников на основе модели «абсолютно черного тела»: множество осцилляторов – молекул, атомов, электронов генерируют волны более или менее независимые друг от друга, иными словами, корреляция (связь) между параметрами волн невелики или совсем отсутствуют. Излучение осциллятора называется типом колебаний (модой), характеризуется определенной частотой и направлением распространения.

Поэтому волны двух источников или одного протяженного не когерентны между собой. Свет, испускаемый обычными (нелазерными) источниками, не бывает строго монохроматическим. Поэтому для наблюдения интерференции свет от одного источника нужно разделить на два пучка и затем наложить их друг на друга. Существующие экспериментальные методы получения когерентных пучков из одного светового пучка можно разделить на два класса.

В методе деления волнового фронта пучок пропускается, например, через два близко расположенных отверстия в непрозрачном экране (опыт Юнга). Такой метод пригоден лишь при достаточно малых размерах источника.

В другом методе пучок делится на одной или нескольких частично отражающих, частично пропускающих поверхностях. Этот метод деления амплитуды может применяться и при протяженных источниках. Он обеспечивает большую интенсивность и лежит в основе действия разнообразных интерферометров (например, интерферометр Майкельсона). В зависимости от числа интерферирующих пучков различают двулучевые и многолучевые интерферометры. Они имеют важные практические применения в технике, метрологии и спектроскопии.

Рис.2 «Получение когерентных волн»

В результате интерференции когерентных волн наблюдаются интенсивные максимумы и минимумы, т.е. происходит перераспределение энергии. Вводится понятие контрастности, или видимости интерференционной картины. Величина контрастности интерференционной картины определяет степень когерентности волн.

Выполнение условий максимума и минимума не противоречит закону сохранения энергии. Безусловно, закон сохранения энергии не нарушается, речь идет о перераспределении энергии в пространстве, что является отличительным признаком волновых процессов. Явление интерференции влияет на сам процесс излучения, так как результирующая интенсивность излучения не равна сумме интенсивностей излучения источников в отдельности, источники влияют друг на друга через поле.

Рис.3 «Минимум и максимум освещенности»

Итак, необходимым условием интерференции волн является их когерентность, т.е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Для характеристики световых волн реальных источников используют понятия временной и пространственной когерентности.