Interferens af lys ( lat. interferens , fra inter - mellem + -ferens - bærer, overførende) - interferens af elektromagnetiske bølger (i snæver forstand - primært synligt lys) - omfordeling af lysintensitet som følge af superposition ( superposition ) af flere lysbølger . Dette fænomen er sædvanligvis karakteriseret ved, at lysintensitetsmaksima og minima veksler i rummet. En specifik form for en sådan fordeling af lysintensitet i rummet eller på en skærm, hvor lyset falder, kaldes et interferensmønster.
Da fænomenet interferens direkte afhænger af bølgelængden, adskiller interferensen af lys, der indeholder forskellige spektrale komponenter (farver), for eksempel hvidt lys, disse spektrale komponenter, som er synlige for øjet i tilfælde af hvidt lys som iriserende bånd.
For første gang blev fænomenet interferens uafhængigt opdaget af Grimaldi (for en stråle, der passerer gennem to tætte huller), Robert Boyle og Robert Hooke (for interferens i tynde lag af gennemsigtige medier, såsom sæbefilm, tynde vægge af glaskugler , tynde plader af glimmer; de observerede samtidig udseendet af en flerfarvet farve; på samme tid bemærkede Hooke også en periodisk afhængighed af farve af lagets tykkelse). Grimaldi var den første til at forbinde fænomenet interferens med ideen om lysets bølgeegenskaber, selvom det stadig er i en ret vag og uudviklet form.
I 1801 var Thomas Young (1773-1829), efter at have introduceret "princippet om superposition" , den første til at give en tilstrækkelig detaljeret og faktisk ikke forskellig fra den moderne forklaring af dette fænomen og introducerede udtrykket "interferens" i videnskabelig brug (1803). Han udførte også et demonstrationseksperiment for at observere interferens af lys, opnå interferens fra to spaltelyskilder (1802); senere blev Jungs oplevelse en klassiker.
Hovedartikel: Interferens i tynde film
At opnå et stabilt interferensmønster for lys fra to rumligt adskilte og uafhængige lyskilder er ikke så let som for vandbølgekilder . Atomer udsender lys i tog af meget kort varighed, og sammenhængen brydes. Relativt enkelt kan et sådant billede fås ved at få bølger af det samme tog til at forstyrre [1] . Så interferens opstår, når den indledende lysstråle opdeles i to stråler, når den passerer gennem en tynd film, for eksempel en film påført overfladen af linser i coatede linser . En lysstråle af bølgelængde , der falder vinkelret på overfladen af filmen af tykkelse , vil blive reflekteret to gange - fra dens indre og ydre overflader. Hvis filmen er tynd nok til, at dens tykkelse ikke overstiger længden af det indfaldende lysbølgetog , vil de reflekterede stråler ved den øvre grænseflade mellem medierne være kohærente og derfor i stand til at interferere.
Ændringen i fasen af strålen, der passerer gennem filmen, afhænger i det generelle tilfælde af brydningsindekset for filmen og dens omgivende medier. Derudover skal det tages i betragtning, at lys, når det reflekteres fra et optisk tættere medium, ændrer sin fase med en halv periode. Så for eksempel i tilfælde af luft ( ≈ ) der omgiver en tynd oliefilm ( ≈ ), vil strålen, der reflekteres fra den ydre overflade, have en faseforskydning , men ikke fra den indre. Interferensen vil være konstruktiv, hvis den samlede forskel mellem de veje, der rejses af disse stråler på filmoverfladen, vil være et halvt heltal af bølgelængder i filmen .
Det er
For destruktiv interferens i dette eksempel er det nødvendigt, at faseforskellen mellem strålerne er et multiplum af .
Det er
Fuldstændig udryddelse af stråler vil forekomme for filmtykkelser:
Hvis nm, så er længden af denne bølge i oliefilmen nm.
Ved giver formlen resultatet nm - og dette er den mindste filmtykkelse for disse betingelser for dannelse af destruktiv interferens.
Stråler fra tilstødende dele af spektret på begge sider af nm interfererer ufuldstændigt og svækkes kun. Den resulterende forstærkning af nogle dele af spektret og dæmpning af andre ændrer filmens farve. Desuden er de mindste ændringer i tykkelsen af filmen umiddelbart udtrykt i et skift i spektret af den observerede farve - denne effekt er let at demonstrere ved hjælp af eksemplet med en sæbeboble.
Fænomenet interferens observeres i et tyndt lag af ikke-blandbare væsker ( petroleum eller olie på overfladen af vand), i sæbebobler , benzin , på sommerfuglevinger , i tonefarver osv .
En anden metode til at opnå et stabilt interferensmønster for lys er brugen af luftgab, baseret på den samme forskel i banen for to dele af bølgen: den ene reflekteres straks fra linsens indre overflade, og den anden ledes gennem luftspalte under det og først derefter reflekteret. Det kan opnås ved at placere en plankonveks linse på en glasplade med den konvekse side nedad. Når linsen belyses ovenfra med monokromatisk lys , dannes en mørk plet i stedet for tilstrækkelig tæt kontakt mellem linsen og pladen, omgivet af skiftevis mørke og lyse koncentriske ringe af forskellig intensitet. Mørke ringe svarer til interferensminima, og lyse ringe svarer til maxima, både mørke og lyse ringe er isoliner af samme tykkelse af luftlaget. Ved at måle radius af en lys eller mørk ring og bestemme dens serienummer fra midten, kan man bestemme bølgelængden af monokromatisk lys. Jo stejlere linsens overflade, især tættere på kanterne, jo mindre er afstanden mellem tilstødende lyse eller mørke ringe [2] .
Lad der være to plane bølger: og
Ifølge superpositionsprincippet vil det resulterende felt i skæringsområdet for disse bølger blive bestemt af summen:
Intensiteten er givet af forholdet:
Hvorfra, under hensyntagen til ::
For nemheds skyld betragter vi det endimensionelle tilfælde og co-retningen af bølgepolarisationer, så kan udtrykket for intensiteten omskrives i en enklere form:
Interferensmønsteret er en vekslen mellem lyse og mørke bånd, hvis tonehøjde er lig med:
Et eksempel på dette tilfælde er interferensmønsteret i lys reflekteret fra overfladerne af en plan-parallel plade.
Nogle lærebøger og manualer siger, at lysinterferens kun er mulig for bølger dannet fra én lyskilde ved amplitude eller feltinddeling af bølgefronter. Denne udtalelse er forkert. Ud fra superpositionsprincippets synspunkt eksisterer der altid interferens, selv når bølger fra to forskellige lyskilder interfererer. Det ville være korrekt at tale om observationen eller muligheden for at observere et interferensmønster. Sidstnævnte kan være ikke-stationær i tide, hvilket fører til udtværing og forsvinden af interferenskanterne. Overvej to plane bølger med forskellige frekvenser:
og
Ifølge superpositionsprincippet vil det resulterende felt i skæringsområdet for disse bølger blive bestemt af summen:
Lad en enhed med en vis karakteristisk registreringstid (eksponeringstid) fotografere interferensmønsteret. I fysisk optik er intensitet den tidsgennemsnitlige flux af lysenergi gennem en enhedsareal vinkelret på bølgeudbredelsesretningen. Gennemsnitstiden bestemmes af fotodetektorens integrationstid og for enheder, der arbejder i signalakkumuleringstilstand (kameraer, film osv.), af eksponeringstiden. Derfor reagerer strålingsmodtagerne i det optiske område på den gennemsnitlige værdi af energifluxen. Det vil sige, at signalet fra fotodetektoren er proportionalt med:
hvor <> betyder gennemsnit. I mange videnskabelige og tekniske anvendelser er dette koncept generaliseret til alle, herunder ikke-plane bølger. Da der i de fleste tilfælde, for eksempel i problemer relateret til interferens og diffraktion af lys, den rumlige position af maksima og minima og deres relative intensitet hovedsageligt undersøges, tages der ofte ikke højde for konstante faktorer, der ikke afhænger af rumlige koordinater. . Af denne grund antages det ofte:
Kvadraten af amplitudemodulet er givet ved:
Hvorfra, ved at erstatte den elektriske feltstyrke, får vi:
, hvor , ,
Givet definitionen af intensitet, kan vi gå til følgende udtryk:
[1] , hvor er bølgeintensiteterne
Når man tager tidsintegralet og anvender sinusforskellens formlen , får man følgende udtryk for intensitetsfordelingen:
Her og nedenfor er notationen brugt .
I den endelige relation kaldes termen, der indeholder trigonometriske faktorer, interferensleddet. Det er ansvarligt for at modulere intensiteten af interferenskanterne. Graden af skelnbarhed af frynser mod en baggrund af medium intensitet kaldes synligheden eller kontrasten af interferensfrynserne:
Lad os se på et par typiske tilfælde:
1. Ortogonalitet af bølgepolarisationer.
På samme tid og . Der er ingen interferenskanter, og kontrasten er 0. Ydermere, uden tab af generalitet, kan vi antage, at polariseringerne af bølgerne er de samme.
2. I tilfælde af ens frekvenser af bølgerne og kontrasten af båndene afhænger ikke af eksponeringstiden .
3. I tilfælde af ( radianer ) observeres værdien af funktionen og interferensmønsteret ikke. Båndkontrasten, som i tilfældet med ortogonale polariseringer, er 0
4. I dette tilfælde afhænger kontrasten af båndene i det væsentlige af frekvensforskellen og eksponeringstiden.
Når man tog integralet i forhold [1] , blev det antaget, at faseforskellen ikke er tidsafhængig. Reelle lyskilder udstråler kun med en konstant fase i en bestemt karakteristisk tid, kaldet kohærenstiden. Af denne grund, når de overvejer spørgsmål om interferens, opererer de med begrebet bølgekohærens. Bølger kaldes kohærente, hvis disse bølgers faseforskel ikke afhænger af tid. Generelt siges bølgerne at være delvist sammenhængende. I dette tilfælde, da der er en vis tidsafhængighed , ændres interferensmønsteret med tiden, hvilket fører til en forringelse af kontrasten eller til helt forsvinden af frynserne. På samme tid, i betragtning af problemet med interferens, generelt set, og ikke monokromatisk (polykromatisk) stråling, introduceres begrebet en kompleks grad af sammenhæng . Interferensforholdet antager formen
Det kaldes den generelle lov om interferens af stationære optiske felter.
Interferensen af lys opstår ikke som et resultat af tilføjelsen af forskellige fotoner, men som et resultat af en fotons interferens med sig selv . [3] I dette tilfælde er tidsmæssig sammenhæng ikke nødvendig for dannelsen af et statistisk interferensmønster – fotoner kan passere én efter én med en ubegrænset gentagelsesperiode. [3] [4] I 1909 udførte den engelske videnskabsmand Geoffrey Taylor et eksperiment med en ekstremt svag lyskilde og fandt ud af, at bølgeadfærd er iboende i individuelle fotoner.