Jungi kogemus on esimene laineteooria põhjal seletatav interferentsikatse. Youngi katses läbib allikast tulev valgus läbi kahe tihedalt asetseva pilu. Difraktsiooni tõttu laienevad valguskiired langevad kaugekraanile. Valguskiirte kattumise piirkonda tekivad häirivad narmad.
Sekkumine – valguse lainelise olemuse üks eredamaid ilminguid. Seda huvitavat ja ilusat nähtust täheldatakse kahe või enama valguskiire üksteise peale asetamisel. Valguse intensiivsus piirkonnas, kus talad kattuvad, on vahelduvate heledate ja tumedate triipudega, kusjuures intensiivsus maksimumides on suurem ja miinimumides väiksem kui kiirte intensiivsuse summa. Valge valguse kasutamisel interferentsi ääred ilmuvad spektri erinevates värvides. Häirimisnähtustega kohtame üsna sageli: õliplekkide värvid asfaldil, külmetava aknaklaasi värvus, veidrad värvilised mustrid mõne liblika ja mardika tiibadel – kõik see on valguse interferentsi ilming.
Esimene katse, mis vaatles valguse interferentsi laboritingimustes, kuulub I. Newtonile. Ta täheldas interferentsimustrit, mis tekib siis, kui valgus peegeldub õhukeses õhupilus lameda klaasplaadi ja suure kõverusraadiusega tasapinnalise kumera läätse vahel. (Joonis 6). Häiremuster oli kontsentriliste rõngaste kujul, nn Newtoni sõrmused (Joonis 7).
Newton ei osanud korpuskulaarteooria seisukohalt selgitada, miks rõngad tekkisid, kuid ta mõistis, et see on tingitud valgusprotsesside teatud perioodilisusest.
Esimene valguse laineteooria põhjal seletatav interferentsikatse oli Jungi kogemus (1802). Jungi katses valgus allikast, mis toimis kitsa piluna S, kukkus kahe tihedalt asetseva piluga ekraanile S 1 ja S 2 (Joonis 8). Iga pilu läbimisel valguskiir difraktsiooni tõttu laienes, mistõttu valgel ekraanil E läbivad valguskiired pilusid S 1 ja S 2, kattuvad. Piirkonnas, kus valguskiired kattusid, täheldati interferentsimustrit vahelduvate heledate ja tumedate triipude kujul.
|
|
|
Joonis 8 Jungi interferentsikatse diagramm |
Young oli esimene, kes taipas, et häireid ei saa täheldada, kui kahest sõltumatust allikast pärinevad lained lisatakse. Seetõttu on tema kogemuses lünki S 1 ja S 2, mida Huygensi põhimõtte kohaselt võib pidada sekundaarlainete allikateks, valgustati ühe allika valgusega. S. Pilude sümmeetrilise paigutusega, allikate poolt kiiratavad sekundaarsed lained S 1 ja S 2 on faasis, kuid need lained liiguvad vaatluspunkti P erinevad vahemaad r 1 ja r 2. Järelikult allikatest lähtuvate lainete poolt tekitatud võnkefaasid S 1 ja S 2 punktis PÜldiselt on need erinevad. Seega taandub lainehäirete probleem sama sagedusega, kuid erinevate faasidega võnkumiste liitmise probleemiks. Väide, mis lainetab allikatest S 1 ja S 2 levivad üksteisest sõltumatult ja vaatluspunktis need lihtsalt liidetakse, see on eksperimentaalne fakt ja seda nimetatakse superpositsiooni põhimõte .
Monokromaatiline (või siinus-) laine , mis levib raadiusvektori suunas, on kirjutatud kujul
Puuduvad seadmed, mis suudaksid jälgida kiireid muutusi valguslaine väljas optilises vahemikus; vaadeldav suurus on energiavoog, mis on otseselt võrdeline laine elektrivälja amplituudi ruuduga. Tavaliselt nimetatakse füüsikalist suurust, mis võrdub laine elektrivälja amplituudi ruuduga intensiivsusega : I = A 2 .
Lihtsad trigonomeetrilised teisendused annavad punktis tekkiva vibratsiooni intensiivsuse järgmise avaldise P:
|
|
kus Δ = r 2 – r 1 – nn löögi erinevus .
Sellest avaldisest järeldub, et interferentsi maksimum (hele triip) saavutatakse nendes ruumipunktides, kus Δ = mλ ( m= 0, ±1, ±2, ...). Kus I max = ( a 1 + a 2) 2 > I 1 + I 2. Häire miinimum (tume riba) saavutatakse Δ = juures mλ + λ / 2. Minimaalne intensiivsuse väärtus I min = ( a 1 – a 2) 2 < I 1 + I 2. Peal Joonis 9 näitab valguse intensiivsuse jaotust interferentsi mustris sõltuvalt tee erinevusest Δ.
Eelkõige siis, kui I 1 = I 2 = I 0, st mõlema segava laine intensiivsus on sama, avaldis (*) on kujul:
|
Kui nihutatakse piki koordinaattelge y kaugusel, mis on võrdne interferentsi ääre laius Δ l, st nihkumisel ühelt interferentsi maksimumilt külgnevale muutub teevahe Δ ühe lainepikkuse λ võrra. Seega
kus ψ on "kiirte" lähenemisnurk vaatluspunktis P. Teeme kvantitatiivse hinnangu. Oletame, et vahemaa d pragude vahel S 1 ja S 2 on võrdne 1 mm ja kaugus piludest ekraanini E on L= 1 m, siis ψ = d / L= 0,001 rad. Rohelise valguse korral (λ = 500 nm) saame Δ l= λ / ψ = 5 10 5 nm = 0,5 mm. Punase valguse puhul (λ = 600 nm) Δ l= 0,6 mm. Nii mõõtis Young kõigepealt valguse lainepikkusi, kuigi nende mõõtmiste täpsus oli madal. Tuleb rõhutada, et laineoptikas, erinevalt geomeetrilisest optikast, kaotab valguskiire mõiste oma füüsilise tähenduse. Terminit "kiir" kasutatakse siin lühiduseks, et näidata laine levimise suunda. Järgnevalt kasutatakse seda terminit ilma jutumärkideta. Newtoni katses (Joonis 6) laine normaalse langemise korral läätse tasasele pinnale on teevahe ligikaudu võrdne läätse ja tasapinna vahelise õhupilu kahekordse paksusega 2h. Juhul, kui läätse kõverusraadius R on h-ga võrreldes suur, saame ligikaudu:
kus r on nihe sümmeetriateljest. Teede erinevuse avaldise kirjutamisel tuleks arvestada ka sellega, et lained 1 ja 2 peegelduvad erinevates tingimustes. Esimene laine peegeldub klaas-õhk liidesest ja teine peegeldub õhk-klaasi liidesest. Teisel juhul muutub peegeldunud laine võnkefaas π võrra, mis võrdub tee erinevuse suurenemisega λ / 2 võrra.
Kui r = 0, see tähendab keskpunktis (puutepunktis) Δ = λ / 2; Seetõttu täheldatakse Newtoni rõngaste keskel alati interferentsi miinimumi – tumedat laiku. Järgnevate tumedate rõngaste raadiused r m määratakse avaldisega
See valem võimaldab katseliselt määrata valguse lainepikkust λ, kui on teada läätse kõverusraadius R. Lainete koherentsuse probleem. Youngi teooria võimaldas selgitada interferentsi nähtusi, mis tekivad kahe liitmisel monokromaatilised lained sama sagedus. Igapäevane kogemus aga õpetab, et valguse sekkumist tegelikkuses pole lihtne jälgida. Kui ruumis põleb kaks ühesugust pirni, siis suvalises punktis valgustugevused lisanduvad ja häireid ei täheldata. Tekib küsimus: millistel juhtudel on vaja liita intensiivsused (võttes arvesse faasisuhteid), millistel - laine intensiivsused, st väljatugevuste ruudud? Monokromaatiliste lainete interferentsi teooria ei saa sellele küsimusele vastata. Tõelised valguslained ei ole rangelt ühevärvilised. Põhimõttelistel füüsilistel põhjustel on kiirgusel alati statistiline (või juhuslik) iseloom. Valgusallika aatomid kiirgavad juhuslikel aegadel üksteisest sõltumatult ning iga aatomi kiirgus kestab väga lühikest aega (τ ≤ 10 –8 s). Allikast saadav kiirgus igal ajahetkel koosneb suure hulga aatomite panusest. Pärast ajavahemikku τ suurusjärgus uueneb kogu kiirgavate aatomite komplekt. Seetõttu on kogukiirgusel erinev amplituud ja, mis kõige tähtsam, erinev faas. Reaalse valgusallika poolt kiiratava laine faas jääb ligikaudu konstantseks ainult ajavahemike jooksul, mis on suurusjärgus τ. Nimetatakse üksikuid kiirguse "jääke" kestusega τ tsugami . Rongide ruumiline pikkus on võrdne cτ, kus c- valguse kiirus. Erinevate rongide võnkumised ei ole üksteisega kooskõlas. Seega on tõeline valguslaine lainerongide jada juhuslikult muutuv faas. Tavaliselt öeldakse, et võnkumised erinevates rongides ebaühtlane . Nimetatakse ajavahemikku τ, mille jooksul võnkefaas jääb ligikaudu konstantseks sidususe aeg . Häired võivad tekkida ainult koherentsete võnkumiste, see tähendab samasse rongi kuuluvate võnkumiste lisamisel. Kuigi kõigi nende võnkumiste faasid on samuti allutatud ajas juhuslikele muutustele, on need muutused samad, seega jääb koherentsete võnkumiste faaside erinevus konstantseks. Sel juhul täheldatakse stabiilset interferentsimustrit ja seetõttu on välja superpositsiooni põhimõte täidetud. Ebakoherentsete võnkumiste liitmisel osutub faasierinevus aja juhuslikuks funktsiooniks. Häireääred kogevad juhuslikke liikumisi küljelt küljele ja aja Δ jooksul t nende registreerimine, mis optilistes katsetes on oluliselt pikem kui koherentsusaeg (Δ t>> τ), toimub täielik keskmistamine. Salvestusseade (silm, fotoplaat, fotosilm) salvestab vaatluspunktis keskmise intensiivsuse väärtuse, mis on võrdne intensiivsuste summaga I 1 + I 2 mõlemast vibratsioonist. Sel juhul on intensiivsuste liitmise seadus täidetud. Seega saab häireid tekkida ainult koherentsete võnkumiste liitmisel. Lainehäirete esinemiseks on vajalik, et lained oleksid sama sagedusega ja nende lainete väljade võnkumiste faaside erinevus jääks aja jooksul muutumatuks. Sellisel juhul ei hägune interferentsimuster aja jooksul ega liigu ruumis. Laineid, mis vastavad neile tingimustele, nimetatakse koherentseks. Lihtsaim viis koherentsete lainete saamiseks on jagada mõnest monokromaatilisest allikast pärit laine kaheks või enamaks laineks (need lained on koherentsed, kui lõhenemine, näiteks peegeldumisel peeglist, ei too kaasa kontrollimatut faasierinevust). Seejärel saate panna iga laine erineval viisil kulgema erineval viisil. Seda saab teha kas nii, et kaks kiirt liiguvad ruumis erinevat vahemaad (nagu Youngi katses) või pannes kiired läbima sama vahemaa, kuid erineva murdumisnäitajaga keskkonnas, muutes seeläbi valguse kiirust. Mõlemal juhul tekib teatud pidev erinevus kiirte teekonnas, mis nende kiirte kombineerimisel toob kaasa interferentsimustri. Kahest sõltumatust allikast pärinevad lained on ebajärjekindlad ega saa segada. T. Young arvas intuitiivselt, et valguse interferentsi saamiseks on vaja allikast lähtuv laine jagada kaheks koherentseks laineks ja seejärel jälgida nende liitmise tulemust ekraanil. Seda tehakse kõigis häireskeemides. Kuid isegi sel juhul kaob häiremuster, kui tee erinevus Δ ületab koherentsuse pikkuse cτ. |
(6)
(7)
(8)
Vaadates säravat holograafilist pilti, ei mäleta enamik meist tõenäoliselt füüsilisi termineid "difraktsioon" Ja "valguslainete interferents".
Kuid just tänu nende mõistete uurimisele sai võimalikuks hologrammide loomise võimalus.
Mis on valguse difraktsioon?
Sõna "difraktsioon" tuletatud ladina keelest "diffractus", mis sõna-sõnalt tähendab "lained painduvad ümber takistuste" . Nagu teada, on sellel laineline iseloom ja selle kiired järgivad laineseadusi. Füüsikas nimetatakse difraktsiooniks optilisi nähtusi, mis tekivad valguslainete levimisel optiliselt ebahomogeenses keskkonnas, milles on läbipaistmatuid kandjaid.
Valguse laineline olemus määrab selle käitumise takistuste ümber liikumisel. Kui takistus on mitu korda pikem kui valguse lainepikkus, ei paindu valgus selle ümber, moodustades varjutsooni. Kuid juhtudel, kui takistuste suurus on proportsionaalne lainepikkusega, ilmneb difraktsiooni nähtus. Põhimõtteliselt võib kõik kõrvalekalded geomeetrilistest optilistest seadustest olla tingitud difraktsioonist.
Lainehäired
Kui paigaldame valgusallika ette läbipaistmatu ekraani ja teeme sellesse auku, siis järgmisel ekraanil, mis asub paralleelselt esimesega, ilmuvad sellest punktist läbi tungivad valguskiired vahelduva valgusega kontsentriliste rõngastena. ja tumedad ringid. Seda nähtust füüsikas nimetatakse Fresneli difraktsiooniks, mis sai nime selle teadlase järgi, kes selle esmakordselt avastas ja kirjeldas.
Muutes augu kuju ja muutes selle pilulaadseks, saame teisel ekraanil hoopis teise pildi. Valguskiired on paigutatud heledate ja tumedate triipude seeriasse, nagu poe vöötkoodil. Valguse difraktsiooni pilukujulise augu poolt kirjeldas esmakordselt saksa füüsik Fraunhofer, kelle järgi seda siiani nimetatakse. 
Teadlased suutsid interferentsi mõistet kasutades seletada valguslaine lagunemist heledateks ja tumedateks aladeks. Mitmed lainevõnkumise allikad, kui nende võnkesagedused on koherentsed (üksteise samad või mitmekordsed), võivad üksteise kiirgust suurendada, kuid võivad seda ka nõrgendada, olenevalt võnkefaaside kokkulangemisest. Takistuste ümber liikumisel ja sekundaarsete lainete ilmnemisel tulevad mängu nende häired. Piirkondades, kus lainete faasid langevad kokku, täheldatakse valgustatuse suurenemist (erksad heledad triibud või ringid) ja kus need ei lange kokku, väheneb valgustus (tumedad alad).
Difraktsioonivõre
Kui võtame läbipaistva plaadi ja kanname sellele rida paralleelseid läbipaistmatuid jooni üksteisest samal kaugusel, saame difraktsioonivõre. Kui sellest läbi lastakse tasane valgusfront, tekib läbipaistmatutel joontel difraktsioon. Sekundaarsed lained, mis on vastastikku nõrgenenud ja võimendatud, moodustavad difraktsioonimiinimumid ja maksimumid, mida saab kergesti tuvastada võre taha asetatud ekraanil.
Sel juhul ei toimu mitte ainult valguskiirte kõrvalekaldumine, vaid ka valge valguse lagunemine värvispektri komponentideks. Looduses kujuneb liblika tiibade, lindude sulestiku ja kamuflaažiks vajaliku maosoomuste värvus sageli difraktsiooni- ja interferentsoptiliste nähtuste kasutamisega, mitte pigmentide tõttu.
Hologrammid
Hologrammi põhimõtte leiutas 1947. aastal füüsik D. Gabor, kes sai hiljem oma leiutise eest Nobeli preemia. Kolmemõõtmeline, s.t. Objekti kolmemõõtmelise kujutise saab jäädvustada, salvestada ja seejärel laserkiirte abil reprodutseerida. Ühte valguslainetest nimetatakse võrdluslaineks ja seda kiirgab allikas ning teine on objekti laine ja peegeldub salvestatud objektilt.
Fotoplaadile või muule salvestamiseks mõeldud materjalile on salvestatud heledate ja tumedate triipude ja laikude kombinatsioon, mis peegeldavad elektromagnetlainete interferentsi selles ruumitsoonis. Kui fotoplaadile suunata valgus, mille lainepikkus vastab võrdluslaine omadustele, muundatakse see objektilainele lähedaste omadustega valguslaineks. Seega saadakse valgusvoos fikseeritud objekti kolmemõõtmeline kujutis. 
Tänapäeval saab hologramme salvestada ja taasesitada isegi kodus. Selleks on vaja laserkiirt, fotoplaati ja raami, mis neid seadmeid usaldusväärselt liikumatult hoiab, ning salvestusobjekti. Koduse hologrammi jaoks sobib ideaalselt eemaldatud teravustamisläätsega laserosuti kiir.
MÄÄRATLUS
Sekkumise fenomen nimetatakse võnkumiste superpositsiooniks ja nende vastastikuseks tugevnemiseks või nõrgenemiseks.
Häired avalduvad intensiivsuse maksimumide ja miinimumide vaheldumisena. Häirete tulemust nimetatakse interferentsi mustriks. Sõna interferents on prantsuse päritolu ja tähendab sekkumist.
Lainete interferentsi nähtus on võimalik siis, kui võnkumised toimuvad võrdsetel sagedustel, neil on ruumis samad osakeste nihkesuunad ja võnkumiste faaside erinevused on konstantsed, st kui võnkeallikad on koherentsed. (Sõna cohaerer on ladina keelest tõlgitud kui ühenduses olemine). Tühi, üks liikuvate lainete komplekt tekitab lainevälja vaadeldava osa igas punktis järjestikku ühesuguseid võnkumisi. Sel juhul asetatakse see sarnaste lainete kogumi peale, mis on koherentsed esimesega ja millel on sama amplituud, siis põhjustab interferentsi nähtus lainevälja pidevat kihistumist aja jooksul suurenenud võnkumiste piirkondadeks või nende piirkondadeks. nõrgenemine.
Võnkumiste interferentsi võimenduse asukoha määrab laineteede erinevus (). Võnkumiste maksimaalne võimendus saavutatakse, kui:
K on täisarv; - lainepikkus.
Võnkumised nõrgenevad kõige enam, kui:
Igasugune laine võib segada. Ajalooliselt avastasid interferentsi valguslainetes esmakordselt R. Boyle ja R. Hooke, kes jälgisid värvide ilmumist õhukestes kiledes. T. Jung tutvustas lainete superpositsiooni printsiibi mõistet, selgitas nähtuse olemust ja kasutas mõistet interferents. Jung oli esimene, kes katsetas valguse interferentsi. Ta sai kahest pilust interferentsmustri, millest sai hiljem klassikaline katse. Selles katses tabas ühest kitsast pilust valguslaine ekraani, millel oli veel kaks kitsast pilu. Demonstratsiooniekraanil kattusid kahe viimase pilu valguskiired üksteisega. Kattumispiirkonnas ilmnes heledate ja tumedate triipude interferentsmuster. Jungi loodud teooria selgitas interferentsi fenomeni, kui kaks sama sagedusega monokromaatilist lainet on üksteise peale asetatud. Jung oli esimene, kes taipas, et sõltumatute valgusallikatega tegelemisel ei saa häireid tekitada.
Statsionaarsed ja mittestatsionaarsed häired
Häired jagunevad statsionaarseteks ja mittestatsionaarseteks. Statsionaarne interferentsmuster tekib ainult täiesti koherentsete lainete korral.
Selle tulemusena jaotatakse energia ruumis ümber. Energia on koondunud maksimumidesse, kuid ei jõua üldse miinimumini. Laineenergia ümberjaotumine ruumis interferentsi ajal vastab energia jäävuse seadusele. Häiretest tekkiva laine energia on võrdne roomavate lainete energiate summaga (keskmiselt).
Kui ebajärjekindlad lained on üksteise peale asetatud, ei täheldata interferentsi nähtust.
Valguslaine interferentsi maksimumide tingimus on avaldis:
Valguse lainepikkus vaakumis; — optiline erinevus kiirte teekonnas. Optilise tee erinevus () on lainete levimise optiliste pikkuste erinevus:
L on optilise tee pikkus (geomeetriline tee pikkus (s) korrutatuna kandja murdumisnäitaja (n)):
Kui võrdsus kehtib:
siis järgitakse kõnealuses punktis miinimumi. Avaldist (6) nimetatakse interferentsi miinimumtingimuseks.
Näited probleemide lahendamisest
NÄIDE 1
| Harjutus | Nähtava valguse lainepikkused jäävad vahemikku 380 nm kuni 760 nm. Milliseid laineid sellest vahemikust optilise tee erinevusega maksimaalselt võimendatakse  m? |
| Lahendus | Maksimaalse valguse intensiivsuse tingimus häirete ajal on: Avaldame valguse lainepikkust tingimusest (1.1):
Vaatleme k erinevaid väärtusi.
Vaatame, millised saadud lainepikkustest jäävad nähtava lainepikkuse vahemikku 380 (nm |
| Vastus |  m; m |
(nm) teisendame nm võrdluse hõlbustamiseks meetriteks: 0,380 m. Selgub, et vaadeldav ulatus hõlmab laineid ainult m juures; neid.NÄIDE 2
| Harjutus | Kui suur on kaugus koherentsete valgusallikate ja demonstratsiooniekraani vahel Youngi katses (l), nende allikate vaheline kaugus on d, valguse pikkus on , interferentsmustri keskel olevate servade vaheline kaugus on b? Nõustuge sellega. |
| Lahendus | Teeme joonise. Jooniselt 1 on Pythagorase teoreemi kohaselt: |
Tänu eelmistele õppetundidele teame, et valgus on sirgjooneliste kiirte kogum, mis levib ruumis teatud viisil. Mõne nähtuse omaduste selgitamiseks ei saa me aga kasutada geomeetrilise optika mõisteid, st ei saa ignoreerida valguse lainelisi omadusi. Näiteks kui päikesevalgus läbib klaasprismat, ilmub ekraanile pilt vahelduvatest värviribadest (joonis 1), mida nimetatakse spektriks; seebimulli hoolikas uurimine paljastab selle veidra värvi (joonis 2), mis ajas pidevalt muutub. Nende ja teiste sarnaste näidete selgitamiseks kasutame teooriat, mis tugineb valguse laineomadustele ehk laineoptikale.
Riis. 1. Valguse lagunemine spektriks
Riis. 2. Seebimull
Selles õppetükis vaatleme nähtust, mida nimetatakse valguse interferentsiks. Selle nähtuse abil tõestasid teadlased 19. sajandil, et valgusel on laineline, mitte korpuskulaarne olemus.
Häirete nähtus on järgmine: kui kaks või enam lainet asetsevad ruumis üksteise peale, tekib stabiilne amplituudijaotuse muster, samas kui mõnes ruumipunktis on saadud amplituud alglainete amplituudide summa, teistes ruumipunktides muutub saadud amplituud võrdne nulliga. Sel juhul tuleb kehtestada teatud piirangud algselt kokkupandavate lainete sagedustele ja faasidele.
Näide kahe valguslaine lisamisest
Amplituudi suurenemine või vähenemine sõltub faaside erinevusest, millega kaks voltimislainet antud punkti saabuvad.
Joonisel fig. Joonisel 3 on kujutatud kahe punktallikast pärit laine liitmise juhtum, mis asuvad punktist ja kaugusel M, milles tehakse amplituudi mõõtmised. Mõlemal lainel on punkt Müldiselt erinevad amplituudid, kuna enne sellesse punkti jõudmist läbivad nad erinevaid teid ja nende faasid erinevad.
Riis. 3. Kahe laine liitmine
Joonisel fig. Joonis 4 näitab, kuidas sõltub võnke amplituud punktis M sõltub faasidest, milles selle kaks siinuslainet saabuvad. Kui harjad langevad kokku, maksimeeritakse saadud amplituud. Kui hari langeb kokku künaga, lähtestatakse saadud amplituud nullile. Vahejuhtudel on saadud amplituudi väärtus nulli ja voltimislainete amplituudide summa vahel (joonis 4).
Riis. 4. Kahe siinuslaine liitmine
Saadud amplituudi maksimumväärtust jälgitakse juhul, kui kahe liitlaine faaside erinevus on null. Sama tuleb järgida, kui faaside erinevus on võrdne , kuna see on siinusfunktsiooni periood (joonis 5).
Riis. 5. Saadud amplituudi maksimaalne väärtus
Võnkumiste amplituud antud punktis maksimaalselt, kui võnkumist ergastavate kahe laine teede erinevus on selles punktis võrdne täisarvuga lainepikkuste või paarisarvuga poollaineid (joonis 6).
Riis. 6. Punkti võnkumiste maksimaalne amplituud M
Võnkumiste amplituud antud punktis on minimaalne, kui selles punktis võnkumist ergastava kahe laine teede erinevus on võrdne paaritu arvu poollainete või pooltäisarvu lainepikkuste arvuga (joonis 7).
Riis. 7. Minimaalne võnkumiste amplituud punktis M
, Kus.
Sekkumine saab jälgida ainult lisamise korral sidus lained (joon. 8).
Riis. 8. Häired
Sidusad lained- need on lained, millel on samad sagedused, faaside erinevus, mis on antud punktis ajas konstantne (joonis 9).
Riis. 9. Koherentsed lained
Kui lained ei ole koherentsed, saabuvad mis tahes vaatluspunkti kaks lainet juhusliku faaside erinevusega. Seega on amplituud pärast kahe laine lisamist samuti juhuslik suurus, mis ajas muutub ja katse näitab interferentsi mustri puudumist.
Ebajärjekindlad lained- need on lained, mille faaside erinevus muutub pidevalt (joonis 10).
Riis. 10. Ebajärjekindlad lained
On palju olukordi, kus võib täheldada valguskiirte interferentsi. Näiteks bensiiniplekk lombis (joonis 11), seebimull (joonis 2).
Riis. 11. Bensiiniplekk lompis
Seebimullidega näide viitab õhukeste kilede nn interferentsi juhtumile. Inglise teadlane Thomas Young (joonis 12) tuli esimesena välja ideele võimalusest seletada õhukeste kilede värve lainete lisamisega, millest üks peegeldub kile välispinnalt. kile ja teine seestpoolt.
Riis. 12. Thomas Young (1773-1829)
Häirete tulemus sõltub valguse langemisnurgast kilele, selle paksusest ja valguse lainepikkusest. Võimendamine toimub siis, kui murdunud laine jääb peegeldunud lainest maha täisarvu lainepikkuste võrra. Kui teine laine jääb poole laine või paaritu arvu poollainete võrra maha, siis valgus nõrgeneb (joonis 13).
Riis. 13. Valguslainete peegeldumine kilepindadelt
Filmi välis- ja sisepinnalt peegelduvate lainete koherentsus on seletatav asjaoluga, et mõlemad lained on sama langeva laine osad.
Värvide erinevus vastab asjaolule, et valgus võib koosneda erineva sagedusega (pikkusega) lainetest. Kui valgus koosneb sama sagedusega lainetest, siis seda nimetatakse ühevärviline ja meie silm tajub seda ühe värvina.
Monokromaatiline valgus(vanakreeka keelest μόνος - üks, χρῶμα - värv) - ühe kindla ja rangelt konstantse sagedusega elektromagnetlaine inimsilma poolt vahetult tajutavast sagedusalast. Termini päritolu tuleneb asjaolust, et valguslainete sageduse erinevusi tajuvad inimesed kui värvierinevusi. Kuid oma füüsikalise olemuse poolest ei erine nähtavas piirkonnas olevad elektromagnetlained teiste vahemike (infrapuna-, ultraviolett-, röntgenikiirgus jne) lainetest ning kasutatakse ka terminit “monokromaatiline” (“ühevärviline”). nende suhtes, kuigi neil pole värvitunnet ega laineid. Erineva lainepikkusega lainetest koosnevat valgust nimetatakse polükromaatiline(valgus päikesest).
Seega, kui monokromaatiline valgus langeb õhukesele kilele, sõltub interferentsi muster langemisnurgast (mõne nurga all suurendavad lained üksteist, teiste nurkade korral nad tühistavad). Polükromaatilise valgusega on interferentsi mustri jälgimiseks mugav kasutada muutuva paksusega kilet, milles erineva pikkusega lained erinevates punktides segavad ja saame värvilise pildi (nagu seebimullis).
Seal on spetsiaalsed seadmed - interferomeetrid (joon. 14, 15), millega saab mõõta lainepikkusi, erinevate ainete murdumisnäitajaid ja muid omadusi.
Riis. 14. Jamini interferomeeter
Riis. 15. Fizeau interferomeeter
Näiteks 1887. aastal konstrueerisid kaks Ameerika füüsikut Michelson ja Morley (joonis 16) spetsiaalse interferomeetri (joonis 17), millega nad kavatsesid eetri olemasolu tõestada või ümber lükata. See katse on üks kuulsamaid füüsikakatseid.
Riis. 17. Michelson Stellar interferomeeter
Häireid kasutatakse ka muudes inimtegevuse valdkondades (pinnatöötluse kvaliteedi hindamiseks, optika puhastamiseks, tugevalt peegeldavate katete saamiseks).
Seisund
Kaks poolläbipaistvat peeglit asuvad üksteisega paralleelselt. Neile langeb peeglite tasapinnaga risti sagedusega valguslaine (joon. 18). Kui suur peaks olema peeglite vaheline minimaalne kaugus, et jälgida mööduvate kiirte esimest järku interferentsi?
Riis. 18. Probleemi illustratsioon
Antud:
Otsi:
Lahendus
Üks kiir läbib mõlemat peeglit. Teine läbib esimest peegli, peegeldub teisest ja esimesest ning läbib teist. Nende kiirte teekonna erinevus on kaks korda suurem kui peeglite vaheline kaugus.
Minimaalne arv vastab täisarvu väärtusele.
Lainepikkus on:
kus on valguse kiirus.
Asendame teeerinevuse valemi väärtuse ja lainepikkuse väärtuse:
Vastus: .
Koherentsete valguslainete saamiseks tavapäraste valgusallikate abil kasutatakse lainefrondi jagamise meetodeid. Sel juhul jaguneb mis tahes allika poolt kiiratav valguslaine kaheks või enamaks üksteisega koherentseks osaks.
1. Koherentsete lainete saamine Youngi meetodil
Valgusallikaks on eredalt valgustatud pilu, millest valguslaine langeb kahele kitsale pilule paralleelselt algse piluga S(joonis 19). Seega toimivad pilud sidusate allikatena. Ekraanil piirkonnas B.C. täheldatakse häiremustrit vahelduvate heledate ja tumedate triipude kujul.
Riis. 19. Koherentsete lainete saamine Youngi meetodil
2. Koherentsete lainete saamine Fresneli biprisma abil
See biprisma koosneb kahest identsest ristkülikukujulisest prismast, millel on väga väike murdumisnurk ja mis on nende alustest volditud. Allikast pärinev valgus murdub mõlemas prismas, mille tulemusena levivad kiired prisma taga, otsekui väljamõeldud allikatest ja (joon. 20). Need allikad on sidusad. Seega piirkonna ekraanil B.C. täheldatakse interferentsi mustrit.
Riis. 20. Koherentsete lainete saamine Fresneli biprisma abil
3. Koherentsete lainete saamine optilise tee pikkuse eraldamise abil
Ühe allika poolt tekitatakse kaks koherentset, kuid erineva pikkusega geomeetrilist lainet ja need lähevad ekraanile (joonis 21). Sel juhul liigub iga kiir läbi keskkonna, millel on oma absoluutne murdumisnäitaja. Ekraanil teatud punkti saabuvate lainete faaside erinevus on võrdne järgmise väärtusega:
Kus ja on lainepikkused keskkonnas, mille murdumisnäitajad on võrdsed ja vastavalt.
Riis. 21. Koherentsete lainete saamine optilise tee pikkuse eraldamise abil
Nimetatakse geomeetrilise tee pikkuse ja keskkonna absoluutse murdumisnäitaja korrutist optilise tee pikkus.
,
– optiline erinevus segavate lainete teekonnas.
Häirete abil saate hinnata toote pinnatöötluse kvaliteeti lainepikkuse täpsusega. Selleks peate proovi pinna ja väga sileda võrdlusplaadi vahele tekitama õhukese kiilukujulise õhukihi. Siis põhjustavad kuni cm pinna ebatasasused katsetatavatelt pindadelt ja alumiselt servalt valguse peegeldumisel tekkivate interferentsribade märgatava kõveruse (joonis 22).
Riis. 22. Pinnatöötluse kvaliteedi kontrollimine
Paljud kaasaegsed fotoseadmed kasutavad suurel hulgal optilisi klaase (läätsed, prismad jne). Selliseid süsteeme läbides peegeldub valgusvoog mitu korda, mis mõjutab pildikvaliteeti halvasti, kuna osa energiast kaob peegelduse käigus. Selle efekti vältimiseks on vaja kasutada spetsiaalseid meetodeid, millest üks on optika tühjendamise meetod.
Optiline puhastus põhineb häirete fenomenil. Optilise klaasi, näiteks läätse, pinnale kantakse õhuke kile, mille murdumisnäitaja on väiksem kui klaasi murdumisnäitaja.
Joonisel fig. Joonisel 23 on kujutatud liidesele langeva kiire teekonda väikese nurga all. Lihtsustamise huvides teostame kõik arvutused nurga jaoks, mis on võrdne nulliga.
Riis. 23. Optika katmine
Kile ülemiselt ja alumiselt pinnalt peegelduvate valguslainete 1 ja 2 teekonna erinevus on võrdne kile kahekordse paksusega:
Kile lainepikkus on väiksem kui lainepikkus vaakumis nüks kord ( n- filmi murdumisnäitaja):
Selleks, et lained 1 ja 2 üksteist nõrgestaksid, peab tee vahe olema võrdne poole lainepikkusega, see tähendab:
Kui mõlema peegeldunud laine amplituudid on samad või üksteisele väga lähedal, on valguse väljasuremine täielik. Selle saavutamiseks valitakse vastavalt filmi murdumisnäitaja, kuna peegeldunud valguse intensiivsus määratakse kahe keskkonna murdumisnäitajate suhtega.
Sekkumine- kahe (või mitme) laine liitmine ruumis, milles erinevates punktides tekkiva laine amplituud tugevneb või nõrgeneb. Nähtus on tüüpiline mis tahes laadi lainetele: helilained, lained veepinnal, elektromagnetlained jne.
Stabiilse interferentsi mustri annab ainult koherentsed lained, st. lained, millel on samad sagedused ja konstantne ajaline erinevus võnkefaasides.
Saabugu punkti A kaks sama sagedusega lainet, mis on eelnevalt läbinud erineva vahemaa l 1 Ja l 2 nende allikatest.
Tekkiva võnke amplituud sõltub suurusest, mida nimetatakse löögi erinevus lained
Kui tee vahe on võrdne täisarvuga laineid, siis jõuavad lained faasipunkti. Lisamisel tugevdavad lained üksteist ja tekitavad kahekordse amplituudiga võnkumist.
Kui tee vahe on võrdne paaritu arvu poollainetega, siis jõuavad lained punkti A antifaasis. Sel juhul need tühistavad üksteist, tekkiva võnkumise amplituud on null.
Teistes ruumipunktides täheldatakse tekkiva laine osalist tugevnemist või nõrgenemist.
Jungi kogemus
1802. aastal inglise teadlane Thomas Young viis läbi katse, milles ta jälgis valguse interferentsi. Valgus kitsast vahest S, kukkus kahe tihedalt asetseva piluga ekraanile S 1 Ja S 2. Iga pilu läbides valgusvihk laienes ja valgel ekraanil läbisid pilusid läbivad valguskiired S 1 Ja S 2, kattuvad. Piirkonnas, kus valguskiired kattusid, täheldati interferentsimustrit vahelduvate heledate ja tumedate triipude kujul.
Kiirtee seebikiles
Joonisel on kujutatud paksusega oluliselt suurenenud seebikile ristlõige. Laske valguslainel tabada filmi punkti A. Osa valgusest peegeldub sellelt pinnalt ja osa murdub, läheb kile sisse ja peegeldub selle pinnalt punktis B. Nendel kahel peegeldunud valguskiirel on sama sagedus, kuna need pärinevad samast allikast. Kui need kokku liidetakse, moodustub interferentsmuster.
Häirenähtusi kohtame üsna sageli: õliplekkide värvid, mustrid mõne liblika ja mardika tiibadel jne.