Wzory interferencyjne to jasne lub ciemne pasma, które są powodowane przez wiązki, które są w fazie lub są ze sobą w fazie. Po nałożeniu światło i podobne fale sumują się, jeśli ich fazy pokrywają się (zarówno w kierunku wzrostu, jak i spadku), lub kompensują się, jeśli są w przeciwfazie. Zjawiska te nazywane są odpowiednio konstruktywną i destrukcyjną ingerencją. Jeśli wiązka promieniowania monochromatycznego, z których wszystkie mają tę samą długość fali, przechodzi przez dwie wąskie szczeliny (eksperyment przeprowadził po raz pierwszy w 1801 roku Thomas Young, angielski naukowiec, który dzięki niemu doszedł do wniosku o naturze fali światła), dwie powstałe wiązki można skierować na płaski ekran, na którym zamiast dwóch nakładających się punktów powstają prążki interferencyjne - wzór równomiernie naprzemiennych jasnych i ciemnych obszarów. Zjawisko to jest stosowane np. we wszystkich interferometrach optycznych.
Superpozycja
Cechy charakterystyczne wszystkich fal to superpozycja, która opisuje zachowanie nałożonych fal. Jego zasadą jest to, że w kosmosieJeżeli nakładają się na siebie więcej niż dwie fale, to wynikowe zaburzenie jest równe sumie algebraicznej poszczególnych zaburzeń. Czasami ta zasada jest naruszana w przypadku dużych perturbacji. To proste zachowanie prowadzi do szeregu efektów zwanych zjawiskami interferencji.
Zjawisko interferencji charakteryzuje się dwoma skrajnymi przypadkami. W konstruktywnych maksimach dwie fale pokrywają się i są ze sobą w fazie. Wynikiem ich superpozycji jest zwiększenie efektu zaburzania. Amplituda powstałej fali mieszanej jest równa sumie poszczególnych amplitud. I odwrotnie, w destrukcyjnej interferencji maksimum jednej fali pokrywa się z minimum drugiej - są w przeciwfazie. Amplituda fali połączonej jest równa różnicy między amplitudami jej części składowych. W przypadku, gdy są równe, destrukcyjna ingerencja jest kompletna, a całkowite zaburzenie ośrodka wynosi zero.
Eksperyment Junga
Wzór interferencji z dwóch źródeł wyraźnie wskazuje na obecność nakładających się fal. Thomas Jung zasugerował, że światło jest falą, która podlega zasadzie superpozycji. Jego słynnym osiągnięciem eksperymentalnym było zademonstrowanie konstruktywnej i destrukcyjnej interferencji światła w 1801 roku. Współczesna wersja eksperymentu Younga różni się zasadniczo tylko tym, że wykorzystuje spójne źródła światła. Laser równomiernie oświetla dwie równoległe szczeliny w nieprzezroczystej powierzchni. Przechodzące przez nie światło jest obserwowane na zdalnym ekranie. Gdy szerokość między szczelinami jest znacznie większa niżdługości fali, przestrzegane są zasady optyki geometrycznej - na ekranie widoczne są dwa podświetlone obszary. Jednak gdy szczeliny zbliżają się do siebie, światło ulega dyfrakcji, a fale na ekranie nakładają się na siebie. Sama dyfrakcja jest konsekwencją falowej natury światła i jest kolejnym przykładem tego efektu.
Wzorzec interferencji
Zasada superpozycji określa wynikowy rozkład natężenia na podświetlanym ekranie. Wzór interferencji występuje, gdy różnica drogi od szczeliny do ekranu jest równa całkowitej liczbie długości fal (0, λ, 2 λ, …). Ta różnica zapewnia, że wzloty dotrą w tym samym czasie. Destrukcyjna interferencja występuje, gdy różnica ścieżek jest całkowitą liczbą długości fal przesuniętych o połowę (λ/2, 3λ/2, …). Jung użył argumentów geometrycznych, aby pokazać, że superpozycja skutkuje serią równomiernie rozmieszczonych prążków lub plam o wysokiej intensywności odpowiadających obszarom konstruktywnej interferencji oddzielonych ciemnymi plamami całkowitej destrukcyjnej interferencji.
Odległość między otworami
Ważnym parametrem geometrii podwójnej szczeliny jest stosunek długości fali światła λ do odległości między otworami d. Jeśli λ/d jest znacznie mniejsze niż 1, to odległość między prążkami będzie niewielka i nie będą obserwowane efekty nakładania się. Używając blisko rozmieszczonych szczelin, Jung był w stanie oddzielić ciemne i jasne obszary. W ten sposób określił długości fal kolorów światła widzialnego. Ich niezwykle mała wielkość wyjaśnia, dlaczego te efekty są obserwowane tylkopod pewnymi warunkami. Aby oddzielić obszary konstruktywnej i destrukcyjnej interferencji, odległości między źródłami fal świetlnych muszą być bardzo małe.
Długość fali
Obserwacja efektów interferencyjnych jest wyzwaniem z dwóch innych powodów. Większość źródeł światła emituje ciągłe spektrum długości fal, co skutkuje nakładaniem się na siebie wielu wzorów interferencyjnych, z których każdy ma własne odstępy między prążkami. Eliminuje to najbardziej widoczne efekty, takie jak obszary całkowitej ciemności.
Spójność
Aby zakłócenia były obserwowane przez dłuższy czas, muszą być używane spójne źródła światła. Oznacza to, że źródła promieniowania muszą utrzymywać stałą zależność fazową. Na przykład dwie fale harmoniczne o tej samej częstotliwości zawsze mają stałą zależność fazową w każdym punkcie przestrzeni - w fazie lub w przeciwfazie, lub w pewnym stanie pośrednim. Jednak większość źródeł światła nie emituje prawdziwych fal harmonicznych. Zamiast tego emitują światło, w którym losowe zmiany fazowe zachodzą miliony razy na sekundę. Takie promieniowanie nazywa się niespójnym.
Idealnym źródłem jest laser
Zakłócenia są nadal obserwowane, gdy fale dwóch niespójnych źródeł nakładają się w przestrzeni, ale wzorce interferencji zmieniają się losowo wraz z losowym przesunięciem fazowym. Czujniki światła, w tym oczy, nie mogą szybko zarejestrowaćzmieniający się obraz, ale tylko intensywność uśrednioną w czasie. Wiązka lasera jest prawie monochromatyczna (tj. składa się z jednej długości fali) i wysoce spójna. Jest idealnym źródłem światła do obserwacji efektów interferencyjnych.
Wykrywanie częstotliwości
Po 1802 r. zmierzone przez Junga długości fal światła widzialnego mogą być powiązane z niewystarczająco precyzyjną prędkością światła dostępną w tym czasie, aby przybliżyć jego częstotliwość. Na przykład dla zielonego światła jest to około 6×1014 Hz. Jest to o wiele rzędów wielkości wyższe niż częstotliwość drgań mechanicznych. Dla porównania, człowiek może słyszeć dźwięk o częstotliwościach do 2×104 Hz. Co dokładnie zmieniało się w takim tempie, pozostawało tajemnicą przez następne 60 lat.
Zakłócenia w cienkich warstwach
Obserwowane efekty nie ograniczają się do geometrii podwójnej szczeliny zastosowanej przez Thomasa Younga. Kiedy promienie są odbijane i załamywane od dwóch powierzchni oddzielonych odległością porównywalną z długością fali, w cienkich warstwach dochodzi do interferencji. Rolę folii pomiędzy powierzchniami może pełnić próżnia, powietrze, wszelkie przezroczyste ciecze lub ciała stałe. W świetle widzialnym efekty interferencji ograniczone są do wymiarów rzędu kilku mikrometrów. Dobrze znanym przykładem filmu jest bańka mydlana. Odbite od niej światło to superpozycja dwóch fal - jedna odbija się od powierzchni przedniej, a druga - od tyłu. Zachodzą na siebie w przestrzeni i układają się w stos. W zależności od grubości mydłafilmy, dwie fale mogą oddziaływać konstruktywnie lub destrukcyjnie. Pełne obliczenie wzoru interferencji pokazuje, że dla światła o jednej długości fali λ obserwuje się interferencję konstruktywną dla grubości warstwy λ/4, 3λ/4, 5λ/4 itd., a interferencję niszczącą obserwuje się dla λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formuły do obliczeń
Zjawisko interferencji ma wiele zastosowań, dlatego ważne jest, aby zrozumieć podstawowe równania. Poniższe wzory pozwalają obliczyć różne wielkości związane z przenikaniem dla dwóch najczęstszych przypadków interferencji.
Położenie jasnych prążków w doświadczeniu Younga, czyli obszarów z konstruktywną interferencją, można obliczyć za pomocą wyrażenia: ybright.=(λL/d)m, gdzie λ to długość fali; m=1, 2, 3, …; d to odległość między szczelinami; L to odległość do celu.
Położenie ciemnych pasm, czyli obszarów oddziaływania destrukcyjnego, określa wzór: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
Dla innego rodzaju interferencji - w cienkich warstwach - obecność konstruktywnej lub destrukcyjnej superpozycji determinuje przesunięcie fazowe odbitych fal, które zależy od grubości warstwy i jej współczynnika załamania. Pierwsze równanie opisuje przypadek braku takiego przesunięcia, a drugie opisuje przesunięcie o połowę długości fali:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Tutaj λ to długość fali; m=1, 2, 3, …; t to droga przebyta w filmie; n to współczynnik załamania światła.
Obserwacja w przyrodzie
Kiedy słońce pada na bańkę mydlaną, widoczne są jasne kolorowe pasma, ponieważ różne długości fal podlegają destrukcyjnym interferencjom i są usuwane z odbicia. Pozostałe odbite światło wydaje się uzupełniać odległe kolory. Na przykład, jeśli nie ma czerwonej składowej w wyniku destrukcyjnej interferencji, odbicie będzie niebieskie. Podobny efekt dają cienkie warstwy oleju na wodzie. W naturze pióra niektórych ptaków, w tym pawi i kolibrów, oraz muszle niektórych chrząszczy wydają się opalizujące, ale zmieniają kolor wraz ze zmianą kąta patrzenia. Fizyka optyki polega tutaj na interferencji odbitych fal świetlnych od struktur cienkowarstwowych lub układów prętów odblaskowych. Podobnie perły i muszle posiadają tęczówkę, dzięki nakładaniu się odbić z kilku warstw masy perłowej. Kamienie szlachetne, takie jak opal, wykazują piękne wzory interferencyjne dzięki rozpraszaniu światła z regularnych wzorów utworzonych przez mikroskopijne kuliste cząstki.
Aplikacja
Istnieje wiele technologicznych zastosowań zjawisk interferencji światła w życiu codziennym. Na nich opiera się fizyka optyki aparatu. Zwykła powłoka antyrefleksyjna soczewek to cienka warstwa. Jego grubość i załamanie są tak dobrane, aby wywołać destrukcyjną interferencję odbitego światła widzialnego. Bardziej specjalistyczne powłoki składające się zkilka warstw cienkich folii jest zaprojektowanych do przesyłania promieniowania tylko w wąskim zakresie długości fal i dlatego są używane jako filtry światła. Powłoki wielowarstwowe stosuje się również w celu zwiększenia współczynnika odbicia luster teleskopów astronomicznych, a także laserowych wnęk optycznych. Interferometria - precyzyjne metody pomiarowe stosowane do wykrywania niewielkich zmian odległości względnych - opiera się na obserwacji przesunięć ciemnych i jasnych pasm wytworzonych przez światło odbite. Na przykład pomiar, jak zmieni się wzór interferencji, pozwala określić krzywiznę powierzchni elementów optycznych w ułamkach długości fali optycznej.
