|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Интерференция света |
 | |
Анимация
Описание
Интерференция света - явление, вокруг которого существует масса путаницы и недопонимания. Причины этого чисто исторические, и связаны с тем, что на ранних стадиях исследования этого явления (17-19 века) исследователи не имели в своем распоряжении скоростных средств регистрации световых потоков и поляризационного оборудования.
Поэтому возможность регистрации этого явления сводилась к наблюдению лишь постоянных во времени картин распределения интенсивности (то есть среднего за период оптических колебаний значения вектора Пойнтинга), возникаюших при пространственном пересечении двух пучков монохроматического света одинаковой частоты. Более того (см. ниже) для наблюдения этой картины необходимо постоянство разности фаз колебаний обеих волн в данной точке пространства в любой момент времени (т.н. взаимная когерентность) пучков. Это может быть достигнуто только в случае, когда оба пучка являются частями излучения единого источника, с достаточно небольшой разностью хода от источника до точки наблюдения (т.н. длина когерентности излучения).
Таким образом и возникло зачастую еще и ныне практикующееся определение интерференции как образования пространственно-неоднородного (чаще пространственно-периодического) распределения интенсивности света в области пересечения нескольких взаимно-когерентных пучков. Условимся называть такое явление интерференцией в узком смысле слова.
Между тем, в широком смысле слова интерференция представляет собой не более чем выраженный другими словами общий электродинамический принцип суперпозиции полей, примененный к волновым, в частности оптическим, полям.
Именно, в широком смысле слова, интерференция представляет собой пространственную модуляцию потока энергии и/или состояния поляризации излучения в области пространственного пересечения двух или более вообще любых световых волн.
Расмотрим результат такого пересечения на примере пересечения двух изображенных на рис. 1 волн с достаточно произвольной формой поверхности постоянной фазы колебаний поля (называемой обычно волновым фронтом).
Пространственное пересечение двух волн
Рис. 1
Кривыми линиями изображены волновые фронты волн.
Согласно общему электродинамическому принципу суперпозиций электрическое поле в области пересечения волн будет представлять собой просто сумму полей индивидуальных волн:
, (1)
Здесь А, В - комплексные амплитуды колебаний полей соответствующих волн в данной точке r в данный момент времени (зависимость от времени введена чтобы учесть то что обычно называют начальной фазой волны j(t)). Функции F1,2 - пространственное распределение фазы колебаний соответствующих волн, часто называемое эйконалом, именно уравнение F1,2=const задает форму поверхности постоянной фазы, то есть волнового фронта. Наконец w1,2 - частоты соответствующих волн. Мы здесь для упрощения рассматриваем монохроматические волны, хотя обобщение всех дальнейших формул на случай конечной ширины частотного спектра волн очевидно.
Выражение для потока энергии поля (вектора Пойнтинга) в области пересечения волн в общем случае достаточно сложно. Однако в приближении малости длины волны по сравнению с характерным масштабом поперечной неоднородности волнового фронта (то есть в обычном геометрооптическом приближении) можно пользоваться обычным выражением амплитуды вектора Пойнтинга через комплексную амплитуду поля Е (см. эффект 504036):
. (2)
Подстановка (1) в (2) дает следующее:
. (3)
Здесь j1,2 - вышеупомянутые “начальные фазы” волн. Далее, мы бы хотели, как обычно, перейти к измеряемой величине, то есть к среднему значению потока энергии (3) за некоторе время. Вот это-то и есть очень существенный момент, в котором скрыто различие вышеприведенных определений интерференции в узком и широком смысле.
Обычный подход к этому усреднению прост. Мы хотим видеть, что там происходит, глазами (время усреднения T - обычные “кинематографические” 1/24 секунды, то есть порядка 1013 световых колебаний).
В таком случае очевидно, что быстроосциллирующее (с суммарной частотой волн) выражение в фигурных скобках усреднится в ноль по малости sin(2wT)/2wT. Что же касается первой строки выражения (3), то пространственная модуляция (то есть третий член в скобках) имеет ненулевое среднее значение за время усреднения лишь при соблюдении дополнительных условий w1=w2, j1(t)-j2(t)=const, и наконец скалярное произведение А·В№0. То есть пересекающие пучки должны иметь одинаковую частоту и связанные начальные фазы (что и составляет определение взаимной их когерентности), а также неортогональные поляризации. В таком случае выражение для среднего за время наблюдения значения потока энергии (то есть интенсивности излучения) приобретает вид:
.
Понятно, что такое пространственное распределение имеет максимумы интенсивности, соответствующие пространственным поверхностям, на которых выполнено условие F1(r) - F2(r) + j1 - j2 = 2pm, и минимумы, соответствующие поверхностям, на которых выполнено условие F1(r) - F2(r) + j1 - j2 = (2m+1)p. Такое распределение и называется интерференционной картиной (в узком смысле понятия интерференции). В частном случае двух плоских волн, то есть F1,2 = k1,2·r, вышеуказанные поверхности максимумов и минимумов интерференционной картины вырождаются в плоскости, и расперделение имеет вид привычной всем интерференционной картины из периодически чередующихся прямых светлых и темных полос:
.
Здесь L - пространственный период интерференционной картины, см. рис. 2.
Интерференционная картина при пересечении двух плоских волн
Рис. 2
Однако для реальных, пусть даже весьма узкополосных, источников, начальная фаза флуктуирует с некоторым характерным “временем сбоя фазы” t, что приводит к конечной ширине их частотного спектра Dw»1/t. В таких условиях, для того чтобы интерференционная картина оставалась статичной, необходимо, чтобы интерферирующие пучки представляли собой излучение одного и того же источника, испущенное им с временным интервалом не больше t, или, что то же самое, прошедшее от источника расстояния, различающиеся не более чем на lcoh=ct. Последняя величина носит название длины когерентности данного источника.
Для описания интерференционной картины часто пользуются выражением для распределения интенсивности вида:
I=I0(1+msin(qr)),
где I0= I1+ I2 - сумма интенсивностей двух интерферирующих волн;
m = 2(I1 I2)1/2/(I1+I2) - т.н. контраст интерференционной картины, изменяющийся в пределах от нуля до единицы при изменении I1/I2 от нуля до единицы, или, что то же самое физически, от бесконечности до единицы.
Обратим теперь внимание вот на что: все эти понятия когерентности, длины когерентности, дополнительные требования к частоте, фазе и поляризации излучения - понадобились нам всего лишь для того, чтобы “остановить” интерференционную картину, сделать ее достаточно статичной для визуального наблюдения. То есть все эти требования нужны не для того, чтобы явление имело место - на самом деле перераспределение потока энергии имеет место для любых двух и более волн при их пересечении, см. выражение (3) - а всего лишь чтобы нам смочь увидеть это своим крайне медленным глазом!
Поэтому следует иметь ввиду, что в широком смысле интерференция как таковая существует при пересечении любых волн, и для своей реализации вовсе не нуждается в некоей дополнительной “когерентности” этих волн. Просто в общем случае интерференционная картина представляет собой не стоячую, а бегущую волну (в случае различных частот волн), или хаотически осциллирующую картину (в случае несвязанных начальных фаз волн). Если интерференция происходит в среде с достаточно коротким временем отклика тех или иных свойств среды на поток энергии излучения, то такая бегущая интерференционная картина приводит к возникновению в среде бегущей волны соответствующего возмущения материальных параметров. Именно на этом основаны, например, все известные виды вынужденных рассеяний света: вынужденное комбинационное рассеяние (волны молекулярных колебаний), вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (гиперзвуковые волны, порожденные бегущей интерференционной картиной), и т.п.
Более того, интерференция в широком смысле слова имеет место также и в случае ортогональных поляризаций пересекающихся волн. Просто в этом случае периодической пространственной модуляции подвергается не поток энергии излучения, а состояние поляризации излучения (см. эффект 503020). В случае такой интерференции в поляризационно-чувствительной среде она также может приводить к пространственной модуляции материальных параметров, как это происходит, например, при ориентационной керровской нелинейности изотропных жидкостей и жидких кристаллов.
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
 | Интерферометр Бейтса (Интерферометр Бейтса) |
 | Уменьшение отражательной способности оптических поверхностей путем нанесения на них непоглощающих пленок (Просветление оптики) |
| Оптическое интерференционное устройство, образованное двумя плоскими зеркалами, или равнобедренной преломляющей тупоугольной призмой (Френеля зеркало и бипризма) |
| Интерференционные спектральные фильтры (Интерференционные спектральные фильтры) |
| Интерферометр Кюстерса (Интерферометр Кюстерса) |
Используется в областях техники и экономики
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
| 5 | | Пространственная модуляция светового излучения при наложении двух или нескольких когерентных волн (Интерференция света) |
Применение эффекта
Интерференция имеет широчайшую область применения в технике. Она используется для прецизионного контроля плоскостности обрабатываемых поверхностей, прецизионного измерения линейных размеров объектов, контроля тепловых и механических напряжений деталей, в микроскопии, спектроскопии оптического и ИК излучения.
Следует отметить, что интерференция в широком смысе слова, то есть интерференция волн различных частот, лежит в основе ряда наиболее современных и точных спектроскопических методик, таких как активная спектроскопия комбинационного рассеяния. На интерференции же основана вся голография.
В общем все области применения интерференции затруднительно даже перечислить.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Схема технической реализации представлена на рис. 3.
Схема технической реализации интерференции
Рис. 3
1 - телескоп;
2, 3 - полупрозрачные зеркала.
Пучок гелий-неонового лазера, расширенный телескопом до диаметра порядка сантиметра, отражается от двух плоских полупрозрачных зеркал с коэффициентом отражения 5-10 % (можно использовать просто стеклянные клинья, с тем чтобы отражение от второй поверхности каждого из зеркал отводилось вбок из области наблюдения). Зеркала съюстированы почти параллельно при помощи автоколлиматора (угловая расстройка порядка 10'). При этом в отраженном пучке наблюдаются интерференционные полосы, период которых уменьшается с увеличением угловой расстройки зеркал.
Литература
1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика.- М.: Наука, 1985.
2. Ландсберг Г.С. Оптика.- М.: Наука, 1976.
3. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.- С.90, 460.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
