Интерференция света

Определение

Интерференция света — это перераспределение интенсивности света в пространстве, возникающее при наложении двух или более когерентных световых волн, приводящее к образованию устойчивой интерференционной картины.

Формула

Δd = kλ (для максимума), Δd = (2k + 1)λ/2 (для минимума)

• Δd — оптическая разность хода волн
• k — целое число (0, ±1, ±2, ...), порядок интерференционного максимума или минимума
• λ — длина волны света

Единицы измерения: метр (м)

Что такое когерентность и почему она важна

Для возникновения устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы накладывающиеся волны были когерентными. Когерентность означает, что волны имеют одинаковую частоту, постоянную разность фаз и одинаковую поляризацию. Проще говоря, они должны быть «согласованы» друг с другом. Если волны некогерентны, их фазы постоянно меняются случайным образом, и эффекты усиления и ослабления быстро сменяют друг друга, усредняясь до равномерного освещения, поэтому интерференционная картина не наблюдается.

Как образуются светлые и тёмные полосы

Когда две когерентные световые волны накладываются, их амплитуды складываются. Если волны приходят в одну точку в фазе (их гребни и впадины совпадают), происходит конструктивная интерференция — амплитуды складываются, и интенсивность света возрастает, образуя светлую полосу (максимум). Если волны приходят в противофазе (гребень одной волны совпадает со впадиной другой), происходит деструктивная интерференция — амплитуды вычитаются, и интенсивность света уменьшается, вплоть до полного погашения, образуя тёмную полосу (минимум).

Условия наблюдения интерференции

Интерференция света наблюдается в тонких плёнках (мыльные пузыри, масляные пятна на воде), в интерферометрах, а также при прохождении света через две близко расположенные щели (опыт Юнга). В этих случаях свет от одного источника делится на два или более пучков, которые затем проходят разные пути и снова встречаются. Разность этих путей определяет, произойдёт ли в данной точке усиление или ослабление света. Именно поэтому интерференцию часто связывают с разностью хода волн.

Как найти и применять

1. Определите, являются ли источники света когерентными. Если нет, интерференции не будет.
2. Найдите оптическую разность хода Δd между волнами, приходящими в интересующую точку.
3. Сравните разность хода с длиной волны λ.
4. Если Δd = kλ (где k — целое число), то в этой точке будет наблюдаться максимум (светлая полоса).
5. Если Δd = (2k + 1)λ/2 (где k — целое число), то в этой точке будет наблюдаться минимум (тёмная полоса).

Разбор задач

Задача 1

На мыльной плёнке наблюдается интерференция. В некоторой точке разность хода двух лучей составляет 1,5 мкм. Какой цвет будет наблюдаться в этой точке, если длина волны красного света равна 0,75 мкм, а синего — 0,45 мкм?

1. Для красного света: Δd / λ_красного = 1,5 мкм / 0,75 мкм = 2. Так как это целое число (k=2), для красного света будет максимум (усиление). 2. Для синего света: Δd / λ_синего = 1,5 мкм / 0,45 мкм = 3,33. Это не целое и не полуцелое число, значит, для синего света не будет ни яркого максимума, ни полного минимума. Скорее всего, будет частичное ослабление или усиление. 3. Таким образом, в этой точке красный свет будет усиливаться, а синий – нет. Поэтому точка будет выглядеть красной.

Ответ: Красный цвет

Где это встречается

• просветлённая оптика — На линзы наносят тонкие плёнки, толщина которых подобрана так, чтобы свет, отражённый от передней и задней поверхностей плёнки, интерферировал деструктивно. Это уменьшает отражение и увеличивает пропускание света, делая линзы более эффективными и уменьшая блики.
• измерение малых расстояний и толщин — Интерферометры (например, интерферометр Майкельсона) используют интерференцию для очень точных измерений длин, перемещений, толщин плёнок, показателей преломления. Смещение интерференционных полос позволяет определить изменения расстояний с точностью до долей длины волны.
• CD/DVD/Blu-ray диски — Информация на дисках записана в виде мельчайших углублений (питов) и плоских участков (лендов), которые вызывают интерференцию отражённого лазерного луча. Разница в оптической разности хода между светом, отражённым от пита и ленда, изменяет интенсивность отражённого сигнала, что считывается приводом.
• голография — При записи голограммы объект освещается когерентным светом, и интерференционная картина, образующаяся при наложении волн, отражённых от объекта, и опорной волны, записывается на фотопластинку. При освещении голограммы опорной волной можно восстановить трёхмерное изображение объекта.

Типичные ошибки

Не путать

• Дифракция света — Интерференция — это наложение волн от двух или более КОГЕРЕНТНЫХ источников, приводящее к перераспределению интенсивности. Дифракция — это огибание волнами препятствий или расширение светового пучка при прохождении через малые отверстия; она всегда сопровождается интерференцией волн, идущих от разных частей волновой поверхности.
• Дисперсия света — Интерференция связана с наложением волн. Дисперсия — это зависимость показателя преломления среды от длины волны света, что приводит к разложению белого света в спектр (например, при прохождении через призму). Это разные явления, хотя оба демонстрируют волновую природу света.

Откуда взялось понятие

Явление интерференции света было впервые экспериментально продемонстрировано и объяснено английским учёным Томасом Юнгом в начале 19 века (около 1801 года), что сыграло решающую роль в утверждении волновой теории света.

Как запомнить

Интерференция — это когда две волны встречаются и либо усиливают друг друга, либо гасят.