Интерференция световых волн

Явление интерференции состоит в отсутствии суммирования интенсивностей световых волн при их наложении, т.е. во взаимном усилении этих волн в одних точках пространства и ослаблении в других.

Необходимым условием интерференции волн является их когерентность.

Этому условию удовлетворяют монохроматические волны одинаковой частоты. Из-за поперечности электромагнитных волн этого условия недостаточно для получения интерференционной картины. Необходимо, чтобы колебания векторов электромагнитных полей интерферирующих волн совершались вдоль одного и того же или близких направлений.

Рассмотрим две волны одинаковой частоты, которые, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления

Амплитуда результирующего колебания в данной точке

где .

Если разность фаз возбуждаемых волнами колебаний остается постоянной во времени, волны называются когерентными.

В случае некогерентных волн непрерывно меняется, принимая с равной вероятностью любые значения, поэтому среднее за период значения равно нулю и

интенсивность, наблюдаемая при наложении некогерентных волн, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой волной в отдельности: .

В случае когерентных волн имеет постоянное во времени, но свое для каждой точки пространства, значение, и

. в точках пространства, где , в точках , где .

Таким образом, при наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности. Это явление называется интерференцией волн.

Особенно отчетливо (контрастно) интерференция происходит, когда (интенсивности обеих волн одинаковы), то

- в максимумах , а в минимумах .

Для некогерентных волн в этом случае интенсивность равна .

Из повседневного опыта известно: при наложении света от двух независимых источников (двух ламп накаливания) никогда не удается наблюдать явлении интерференции. Увеличение числа горящих ламп всегда приводит к возрастанию освещенности во всех точках комнаты. Применение светофильтров для «монохроматизации » излучения не приводит к появлению интерференции. Таким образом, волны, излучаемые независимыми источниками света, всегда не когерентны.

Причины указанной закономерности заключены в самом механизме испускания света атомами. Атомы обычных источников света (лампы накаливания, газоразрядные, электрические дуги ), основанных на явлении спонтанного (самопроизвольного) излучения, излучают независимо друг от друга.

[А.А. Яворский , с. 347-348]

Естественные источники не дают когерентного света. Это связано с тем, что излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых многими атомами. Излучение производится цугами (цуг – прерывистое излучение света атомами в виде отдельных кратковременных импульсов, характерно для любого источника света независимо от специфических особенностей тех процессов, которые происходят в источнике и вызывают возбуждение его атомов. Каждый цуг имеет ограниченную протяженность в пространстве, связанную с конечной длительностью его излучения) длиной до 3 м, причем фаза одного цуга никак не связана с фазой следующего.

Тем не менее , когерентные волны можно получить даже от обычных источников.

Общий принцип получения когерентных волн : разделив волну, излучаемую одним источником, на две части (рис.3.2.3) и затем заставить эти волны пройти разные оптические пути, а потом наложить друг на друга, наблюдается интерференция.

Разность оптических путей, проходимых волнами, не должна быть очень большой, чтобы складываемые колебания принадлежали одному цугу волн.

Пусть разделение волн происходит в точке Р.

До точки Р первая волна проходит в среде с показателем преломления путь , вторая волна – в среде с показателем преломления путь . Если в точке О фаза колебаний равна , то первая волна возбудит в точке Р колебание , а вторая волна – колебание , где , - фазовые скорости волн.