Интерференция света

Определение "Интерференция света" в Большой Советской Энциклопедии

Интерференция в плоскопараллельной пластинке

Интерференция света, сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тёмных полос вследствие нарушения принципа сложения интенсивностей (см. Интерференция волн). Некоторые явления Интерференция света наблюдались ещё И. Ньютоном, но не могли быть объяснены с точки зрения его корпускулярной теории (см. Свет, Оптика). Правильное объяснение Интерференция света как типично волнового явления было дано в начале 19 в. Т. Юнгом и О. Френелем.

Интерференция. Полосы равной толщины

Интерференция света возникает только в случае, если разность фаз постоянна во времени, т. е. волны когерентны (см. Когерентность). До создания лазеров когерентные световые пучки могли быть получены только путём разделения и последующего сведения лучей, исходящих из одного и того же источника света. При этом разность фаз этих колебаний постоянна и определяется только разностью путей, проходимых лучами, или разностью хода D. Существует несколько способов создания когерентных пучков света. Например, в опыте Френеля (рис. 1) два плоских зеркала I и II, образующих двугранный угол, близкий к 180°, дают два мнимых изображения S₁ и S₂ источника S. На экране AB получается светлая полоса при разности хода D лучей S₁M и S₂M, равной чётному числу полуволн, и тёмная полоса - при D, равной нечётному числу полуволн. Другой способ был предложен Юнгом (рис. 2). Свет из отверстия S падает на экран AB с двумя отверстиями (или щелями) S₁ и S₂. Интерференция света наблюдается на экране CD. Расстояние между соседними светлыми или тёмными интерференционными полосами Dх » l/a, где a - угол S₁MS₂, под которым сходятся интерферирующие лучи. В этих опытах Интерференция света наблюдается только при сложении волн, испущенных из одной и той же точки источника. Интерференционные полосы, соответствующие разным точкам источника, сдвинуты относительно друг друга, и при наложении интерференционные картины смазываются. Предельный размер источника, ещё дающего чёткую интерференционную картину, определяется соотношением d = l/b, где b - угол, под которым расходятся лучи из источника (например, ÐS₁SS₂ на рис. 2).

Опыт Френеля (схема)

Это ограничение не имеет места в случае Интерференция света, отражённого от двух поверхностей плоской или слабоклиновидной прозрачной пластинки (рис. 3). При этом между отражёнными лучами возникает разность хода D = 2hn cos i’¢ + l/2, где h - толщина пластинки, n - её показатель преломления, i¢ - угол преломления. Добавочная разность хода l/2 возникает из-за различия сдвига фазы при отражении от верхней и нижней поверхностей пластинки. В строго плоскопараллельных пластинках (с точностью до долей l) одинаковую разность хода будут иметь лучи, падающие на пластинку под одним и тем же углом i, а интерференционные полосы в этом случае называются полосами равного наклона. Они локализованы в бесконечности, поэтому их можно наблюдать в главной фокальной плоскости линзы. В тонких пластинках переменной толщины линии максимумов и минимумов проходят по точкам, соответствующим равной толщине пластинки, и называются полосами равной толщины. Они локализованы в плоскости пластинки. При этом данная интерференционная полоса в монохроматическом свете вычерчивает линию, соответствующую одной и той же толщине пластинки (рис. 4). Если свет не монохроматический, происходит наложение описанных картин для различных длин волн (между собой не интерферирующих); причём положения максимумов и минимумов смещены, поэтому в случае тонкой пластинки наблюдатель видит последовательность цветных полос. Этим явлением Интерференция света в тонких плёнках объясняются радужная окраска пятен масла или нефти на воде, цвета побежалости на закалённых металлах и др. Интерференция света в тонких плёнках играет большую роль при просветлении оптики, в интерференциальных светофильтрах, в интерференциальной микроскопии и др. Интерференция света в тонких плёнках изучается в оптике тонких слоев.

Опыт Юнга (схема)

Возможность наблюдения Интерференция света зависит от степени монохроматичности света. В белом свете можно наблюдать только несколько интерференционных полос вблизи D = 0, которые в этом случае окрашены, потому что положение максимумов и минимумов зависит от длины волны. Если из источника света выделена одна узкая спектральная линия, максимальная разность хода D_max может достигать нескольких десятков см. Чёткие интерференционные полосы ещё можно наблюдать при D_max » l²/Dl, где Dl - ширина спектра. D_max можно связать со временем t, в течение которого фаза волны не сбивается, т. е. излучается волна в виде отрезка синусоиды («цуг волн»). При этом D_max оказывается равной длине цуга: D_max = l²/Dl = ct (c - скорость света), что поясняет невозможность Интерференция света при D > D_max, так как соответствующие цуги в двух интерферирующих пучках перестают перекрываться друг другом.

Ограничения размеров источника в приведённых выше опытах снимаются, если источником света служит излучение лазера, которое обладает пространственной когерентностью, и Интерференция света может наблюдаться при сложении волн, испускаемых разными точками источника. Высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет наблюдать Интерференция света при огромной разности хода.

При очень малых интенсивностях света, когда при помощи чувствительных приёмников регистрируются отдельные фотоны, Интерференция света проявляется как статистическое явление. Среднее число квантов, попавших на тот или другой участок экрана в течение определённого времени, даёт такое же распределение интенсивности, что и при обычном способе наблюдения. Это находится в полном соответствии с квантовой теорией, согласно которой Интерференция света происходит не в результате сложения разных фотонов, а в результате «интерференции фотона самого с собой».

Интерференция света имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого другого. На использовании Интерференция света основано действие интерферометров и интерференционных спектроскопов; метод голографии также основан на Интерференция света

Важный случай Интерференция света - интерференция поляризованных лучей (см. Поляризация света). В общем случае, когда складываются две различно поляризованные когерентные световые волны, происходит векторное сложение их амплитуд, что приводит к эллиптической поляризации. Это явление наблюдается, например, при прохождении линейно поляризованного света через анизотропные среды. Попадая в такую среду, линейно поляризованный луч разделяется на 2 когерентных, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча. Вследствие различного состояния поляризации скорость их распространения в этой среде различна и между ними возникает разность фаз D, зависящая от расстояния, пройденного в веществе. Величина D будет определять состояние эллиптической поляризации; в частности, при D, равной целому числу полуволн, поляризация будет линейной.

Интерференцию поляризованных лучей широко используют в кристаллооптике для определения структуры и ориентации осей кристалла, в минералогии для определения минералов и горных пород, для обнаружения и исследования напряжений и деформаций в твёрдых телах, для создания особо узкополосных светофильтров и др.
Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика. 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Вавилов С. И., Микроструктура света, ч. 2, М., 1950; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., М., 1970.
  М. Д. Галанин.