Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Интерференция света. Когерентность




Если в пространстве распространяются две волны, то в каждой точке результирующее колебание представляет собой геометрическую сумму колебаний, соответствующих каждой из складывающихся волн. Это утверждение называется принципом суперпозиции волн. Принцип суперпозиции волн соблюдается обычно с большой точностью и нарушается только при распространении волн в какой-либо среде, если амплитуда (интенсивность) волн очень велика.

Рис. 2.1

Физически содержание принципа суперпозиции для электромагнитных волн означает, что если в среде распространяется несколько электромагнитных волн, то среда реагирует на каждую волну так, как будто других волн нет. Математически это означает, что напряженность электрического поля и индукция магнитного поля в любой точке пространства и в любой момент времени равны соответственно векторной сумме напряженностей и магнитных индукций всех полей в данной точке. К наиболее интересным и красивым явлениям, которые возникают вследствие суперпозиции волн, относятся явления интерференции и дифракции света, являющиеся наиболее яркими проявлениями волновой природы света.

Рис. 2.2

Под интерференцией света понимают широкий круг явлений, в которых при наложении световых пучков результирующая интенсивность в любой точке не равна сумме интенсивностей отдельных пучков. В результате интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве: в одних местах интенсивность света больше суммы интенсивностей двух или нескольких волн, в других – меньше. Поэтому интерференционная картина представляет чередование светлых и темных полос. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.

При падении дождевых капель на гладкую поверхность воды от точек их падения распространяются упругие волны. При наложении их друг на друга возникает интерференционная картина.

С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на мокром асфальте, цвета побежалости на поверхности закаленных металлов (рис. 2.1), радужная окраска мыльных пузырей (рис. 2.2), причудливые цветные рисунки на крыльях стрекозы (рис. 2.3) – все это проявления интерференции света.

Рис. 2.3. Взято с сайта http://rwn.boom.ru

Явление интерференции можно наблюдать на волнах любой природы: упругих (например, звуковых волнах или волнах на поверхности воды) электромагнитных (например, радиоволн или световых волн). Однако повседневный опыт учит, что интерференцию света в действительности наблюдать не просто. Если в комнате горят две одинаковые лампочки, то в любой точке складываются интенсивности света и никакой интерференции не наблюдается. Для наблюдения интерференции любых волн требуется выполнение определенного условия: волны должны быть когерентными.

При падении дождевых капель на гладкую поверхность воды от точек их падения распространяются упругие волны. При наложении их друг на друга возникает интерференционная картина.

 

Когерентность колебаний. Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении.

Пусть в некоторую точку пространства одновременно приходят две электромагнитные волны, напряженности электрических полей в которых и . Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность результирующего поля в этой точке равна сумме напряженностей и :

. (2.1)

Энергия волны пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Для двух перекрывающихся пучков она пропорциональна

. (2.2)

Воздействие света на любое регистрирующее устройство состоит в передаче ему энергии, переносимой волной. Ни один приемник света не измеряет мгновенное значение напряженности. Всем приемникам света присуща определенная инерционность. Её можно характеризовать временем установления или разрешения приемника . Для глаза время разрешения – это время, в течение которого глаз сохраняет зрительное ощущение, то есть видит свет даже тогда, когда излучение перестало в него попадать. У фотоматериала . Наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники имеют время разрешения . Однако даже такие времена очень велики по сравнению с периодами оптических колебаний. Средний период колебаний электромагнитного поля в оптической области спектра составляет . Поэтому ни один приемник света не позволяет измерить мгновенные значения напряженности электрического поля в световой волне. Для этого время разрешения приемника должно было бы быть мало по сравнению с периодом световых колебаний. Все приемники могут измерять только величины, усредненные за времена, не меньшие времени разрешения приемника. Поэтому выражение (2.2) усредняют, и средние значения интенсивности за относительно большое время сравнивают с данными опыта:

.

Среднее значение определяет интенсивность света , следовательно,

. (2.3)

Из (2.3) видно, что интенсивность результирующей волны не равна сумме интенсивностей складывающихся волн; называют интерференционным членом.

При измерении интенсивности возможны два случая:

1) , тогда и ;

2) , тогда и .

В первом случае интерференция отсутствует, то есть суммарная интенсивность равна сумме интенсивностей волн, испускаемых каждым источником. Во втором имеет место интерференция, поскольку суммарная интенсивность не равна сумме интенсивностей волн, испускаемых каждым источником. Таким образом, необходимым условием интерференции является неравенство нулю интерференционного члена, .

Заметим, что если векторы и взаимно перпендикулярны, то , и интерференция не наблюдается. Поэтому можно утверждать, что интерференция наблюдается только для волн, в которых векторы напряженности электрического поля параллельны друг другу.

Можно показать, что интерференционный член равен нулю, если разность фаз складываемых колебаний хаотически изменяется за время наблюдения. Следовательно, необходимое условие интерференции можно сформулировать так: для возникновения интерференции необходимо, чтобы разность фаз складываемых колебаний сохраняла свое значение за время усреднения. Очевидно, что два любых гармонических колебания одинаковой частоты являются когерентными. Они порождают монохроматические волны, бесконечные в пространстве и во времени.

Таким образом, для наблюдения интерференции необходимо постоянство во времени разности фаз складываемых колебаний, равенство частот интерферирующих волн, параллельность векторов и и независимость от времени амплитуд световых волн.

В действительности идеально гармонические колебания неосуществимы, так как в реальных колебательных процессах амплитуда, частота и фаза колебаний непрерывно хаотически изменяются во времени. Если разность фаз двух колебаний изменяется очень медленно, то говорят, что колебания остаются когерентными в течение некоторого времени , пока их разность фаз не успела измениться на величину, сравнимую с . За это время волна распространится на расстояние , и колебания напряженности электрического поля волны в точках, удалённых друг от друга на расстояние вдоль направления распространения волны, оказываются некогерентными. Расстояние, равное вдоль направления распространения плоской волны, на котором случайные изменения фазы колебаний достигают величины, сравнимой с , называют длиной когерентности.

В оптике наиболее распространённым способом получения двух когерентных волн является расщепление волны, излучаемой одним источником, на две волны, распространяющиеся по разным путям, но, в конце концов, встречающиеся в одной точке, где и происходит их сложение. Если запаздывание одной волны по отношению к другой, связанное с разностью пройденных ими путей, меньше длины когерентности, то колебания в точке сложения будут когерентными, и будет наблюдаться явление интерференции. Когда разность оптических путей двух волн приближается к длине когерентности, интерференционная картина исчезает, и интенсивность в каждой точке пространства становится равной сумме интенсивностей двух волн.






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных