«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 И. с. наблюдались ещё И. Ньютоном, но не могли быть объяснены с точки зрения его корпускулярной теории (см. Свет, Оптика). Правильное объяснение И. с. как типично волнового явления было дано в начале 19 в. Т. Юнгоми О. Френелем (См. Френель).

И. с. 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 Δ. 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 Δ лучей S₁M и S₂M, равной чётному числу полуволн, и тёмная полоса — при Δ, 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. И. с. наблюдается на экране CD. Расстояние между соседними светлыми или тёмными интерференционными полосами Δх λ/α, где α — угол S₁MS₂, под которым сходятся интерферирующие лучи. В этих опытах И. с. 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 = λ/β, где β — угол, под которым расходятся лучи из источника (например, ∠S₁SS₂ на рис. 2).

Это ограничение не имеет места в случае И. с., отражённого от двух поверхностей плоской или слабоклиновидной прозрачной пластинки (рис. 3). При этом между отражёнными лучами возникает разность хода Δ = 2hn cos i’' + λ/2, где h — толщина пластинки, n — её показатель преломления, i' — угол преломления. Добавочная разность хода λ/2 возникает из-за различия сдвига фазы при отражении от верхней и нижней поверхностей пластинки. В строго плоскопараллельных пластинках (с точностью до долей λ) 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 И. с. в тонких плёнках объясняются радужная окраска пятен масла или нефти на воде, цвета побежалости на закалённых металлах и др. И. с. в тонких плёнках играет большую роль при просветлении оптики (См. Просветление оптики), в интерференциальных Светофильтрах, в интерференциальной микроскопии и др. И. с. в тонких плёнках изучается в оптике тонких слоев (См. Оптика тонких слоёв).

Возможность наблюдения И. с. зависит от степени монохроматичности света. В белом свете можно наблюдать только несколько интерференционных полос вблизи Δ = 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 Δ_max может достигать нескольких десятков см. Чёткие интерференционные полосы ещё можно наблюдать при Δ_max λ²/Δλ, где Δλ — ширина спектра. Δ_max можно связать со временем τ, в течение которого фаза волны не сбивается, т. е. излучается волна в виде отрезка синусоиды («цуг волн»). При этом Δ_max оказывается равной длине цуга: Δ_max = λ²/Δλ = cτ (c — скорость света), что поясняет невозможность И. с. при Δ > Δ_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 И. с. может наблюдаться при сложении волн, испускаемых разными точками источника. Высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет наблюдать И. с. при огромной разности хода.

При очень малых интенсивностях света, когда при помощи чувствительных приёмников регистрируются отдельные фотоны, И. с. 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 И. с. происходит не в результате сложения разных фотонов, а в результате «интерференции фотона самого с собой».

И. с. 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 И. с. основано действие Интерферометров и интерференционных спектроскопов; метод голографии (См. Голография) также основан на И. с.

Важный случай И. с. — 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 Δ, зависящая от расстояния, пройденного в веществе. Величина Δ будет определять состояние эллиптической поляризации; в частности, при Δ, 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.

Рис. 1. Схема опыта Френеля.

Рис. 2. Схема опыта Юнга.

Рис. 3. Интерференция в плоскопараллельной пластинке.

Рис. 4. Типичные случаи полос равной толщины.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА - пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн; частный случай интерференции волн. Интерференция света наблюдается на экране или иной поверхности в виде характерного чередования светлых и темных полос или пятен (для монохроматического света) или окрашенных участков - для белого света.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА - пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн; частный случай интерференции волн. Интерференция света наблюдается на экране или иной поверхности в виде характерного чередования светлых и темных полос или пятен (для монохроматического света) или окрашенных участков - для белого света.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или неск. световых волн; частный случай общего явления интерференции волн. Нек-рые явления И. с. наблюдались ещё И. Ньютоном в 17 в., однако не могли быть им объяснены с точки зрения его корпускулярной теории (см. ОПТИКА). Правильное объяснение И. с. как типично волнового явления было дано в нач. 19 в. франц. физиком О. Ж. Френелем и англ. учёным Т. Юнгом. Наиболее часто наблюдается И. с., характеризующаяся образованием стационарной (постоянной во времени) интерференционной картины (и. к.) — регулярного чередования областей повышенной и пониженной интенсивности света (см. НЬЮТОНА КОЛЬЦА); к явлениям И. с. относятся также световые биения и явления корреляции интенсивности (см. ниже). Строгое объяснение этих явлений требует учёта как волновых, так и корпускулярных св-в света и даётся на основе квант. электродинамики.

Рис. 1. Схема опыта Юнга. Справа сплошной линией представлена зависимость интенсивности на экране от координаты, нормальной щелям; пунктиром показана освещённость экрана при поочерёдном закрывании щелей.

Стационарная И. с. возникает при наличии пост. разности фаз (или определ. корреляции фаз) налагающихся волн (см. КОГЕРЕНТНОСТЬ). До появления лазеров когерентные световые пучки могли быть получены только путём разделения и последоват. сведения лучей, исходящих из одного и того же источника (см. ФРЕНЕЛЯ ЗЕРКАЛА). Требование когерентности налагает ограничения на угл. размеры источника и на ширину спектра излучения. Так, напр., в классич. опыте Юнга, в к-ром малый источник с линейным размером излучающей поверхности S освещает две узкие щели (рис. 1), когерентность обеспечивается условием: S?lR/d, где l — ср. длина волны света, R — расстояние от источника до экрана со щелями, d — расстояние между щелями. Когерентность также зависит от разности хода d интерферирующих лучей, к-рая, будучи выраженной в длинах световых волн, наз. порядком интерференции. С ростом б когерентность, а вместе с ней и контраст и. к. падает тем быстрее, чем шире спектр Dl света. Макс. разность хода, при к-рой и. к. ещё видна, имеет порядок (Dl)-1. В белом свете наблюдается и. к. самых низких порядков (1—2-го), причём окрашенная, поскольку положение максимумов и минимумов интенсивности света на и. к. зависит от l. Для узких спектр. линий порядок И. с. может доходить до 105—106, что соответствует разности хода в неск. см. Для наиболее монохроматических лазерных источников допустимая разность хода измеряется тысячами км.

Ограничения, связанные с когерентностью, могут быть поняты из рассмотрения наложения и. к. от отдельных точек реального источника. При слишком больших размерах источника суммарная и. к. оказывается смазанной.

Различают двухлучевую и многолучевую И. с. В первом случае свет в каждую точку и. к. приходит от общего источника по двум путям, как на рис. 1, при этом распределение интенсивности на и. к. явл. гармонич. ф-цией (cos22pd/l). Многолучевая И. с. возникает при наложении мн. когерентных волн, получаемых делением исходного волн. фронта с помощью многократных отражений (напр., в интерферометре Фабри — Перо) или дифракцией на многоэлементных периодич. структурах (см. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЁТКА, МАЙКЕЛЬСОНА ЭШЕЛОН). При многолучевой И. с. интенсивность и. к. явл. периодической, но не гармонич. ф-цией d (рис. 2). Резкая зависимость интенсивности и. к. от длины волны при многолучевой И. с. широко используется в спектр. приборах.

Рис. 2. Зависимость интенсивности в интерференц. картине интерферометра Фабри — Перо от разности хода d.

Из естеств. проявлений И. с. наиболее известно радужное окрашивание тонких плёнок (масляные плёнки на воде, мыльные пузыри, окисные плёнки на металлах), возникающее вследствие И. с., отражённого двумя поверхностями плёнки. В тонких плёнках перем. толщины при освещении протяжённым источником локализация и. к. происходит на поверхности плёнки, при этом данная интерференц. полоса соответствует одной и той же толщине плёнки (полосы равной толщины). В белом свете полосы окрашены. В тонких плёнках строго пост. толщины (с точностью до долей Я) одинаковую разность хода имеют лучи, падающие на плёнку под одним и тем же углом, и интерференц. полосы наз. полосами равного наклона. Они локализованы в бесконечности, и наблюдать их можно в фокальной плоскости линзы. Если при наблюдении И. с. от обычных источников света и. к. имеет малую яркость и размеры, то при использовании лазеров явления И. с. настолько ярки и характерны, что нужны особые меры для получения равномерной освещённости. Чрезвычайно высокая когерентность лазерного излучения приводит к появлению помех интерференц. происхождения при наблюдении объектов, освещённых лазером. При лазерном освещении произвольной шероховатой поверхности глаз воспринимает хаотич. картину световых пятен, мерцающую при перемещении наблюдателя (нерегулярная и. к., к-рая при обычном освещении не наблюдается).

К явлениям И. с. относятся также световые биения, возникающие при наложении световых полей разных частот. В этом случае образуется бегущая в пр-ве и. к., так что в заданной точке интенсивность света периодически меняется во времени с частотой, равной разности частот интерферирующих волн. Биения возникают в обычных (нелазерных) схемах И. с. при изменении во времени хода интерферирующих лучей. Наблюдение биений в излучении независимых источников света возможно только для лазерных источников.

Эффектами, родственными световым биениям, явл. корреляции интенсивности, наблюдаемые при установке двух фотоприёмников (напр., счётчиков фотонов) в пределах площади когерентности. На интервалах времени порядка (или менее) обратной ширины спектра излучения обнаруживается превышение числа парных фотонных совпадений над фоном случайных событий. Зависимость этого превышения от расстояния между счётчиками позволяет судить о площади когерентности поля излучения, что нашло применение для измерения диаметра звёзд наряду с традиционным методом звёздного интерферометра.

И. с. широко используется при спектральном анализе для точного измерения расстояний и углов, в рефрактометрии, в задачах контроля кач-ва поверхностей, для создания светофильтров, зеркал, просветляющих покрытий и др.; на явлениях И. с. основана голография. Важный случай И. С.— интерференция поляризованных лучей.

интерфере́нция све́та

пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн; частный случай интерференции волн. Интерференция света наблюдается на экране или иной поверхности в виде характерного чередования светлых и тёмных полос или пятен (для монохроматичного света) или окрашенных участков (для белого света).

* * *

ИНТЕРФЕРЕ́НЦИЯ СВЕ́ТА, пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн; частный случай интерференции волн. Интерференция света наблюдается на экране или иной поверхности в виде характерного чередования светлых и темных полос или пятен (для монохроматического света) или окрашенных участков — для белого света.

interferenza della luce [luminosa, ottica]

пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или неск. световых волн; частный случай интерференции волн. И. с. наблюдается на экране или иной поверхности в виде характерного чередования светлых и тёмных полос или пятен (для монохроматич. света) или окрашенных участков (для белого света).