Interferensmönster är ljusa eller mörka band som orsakas av strålar som är i fas eller ur fas med varandra. När de överlagras lägger ljus och liknande vågor ihop om deras faser sammanfaller (både i riktning mot ökning och minskning), eller så kompenserar de varandra om de är i motfas. Dessa fenomen kallas konstruktiv respektive destruktiv interferens. Om en stråle av monokromatisk strålning, som alla har samma våglängd, passerar genom två smala slitsar (experimentet utfördes första gången 1801 av Thomas Young, en engelsk vetenskapsman som tack vare honom kom till slutsatsen om vågnaturen av ljus), kan de två resulterande strålarna riktas mot en platt skärm, på vilken, istället för två överlappande fläckar, interferensfransar bildas - ett mönster av jämnt alternerande ljusa och mörka områden. Detta fenomen används till exempel i alla optiska interferometrar.
Superposition
Den definierande egenskapen för alla vågor är superposition, som beskriver beteendet hos överlagrade vågor. Dess princip är att när man är i rymdenOm fler än två vågor överlagras, är den resulterande störningen lika med den algebraiska summan av de individuella störningarna. Ibland överträds denna regel för stora störningar. Detta enkla beteende leder till en serie effekter som kallas interferensfenomen.
Fenomenet störningar kännetecknas av två extremfall. I de konstruktiva maxima för de två vågorna sammanfaller, och de är i fas med varandra. Resultatet av deras överlagring är en ökning av den störande effekten. Amplituden för den resulterande blandade vågen är lika med summan av de individuella amplituderna. Och omvänt, i destruktiv interferens, sammanfaller maximum av en våg med minimum av den andra - de är i motfas. Amplituden för den kombinerade vågen är lika med skillnaden mellan amplituderna för dess komponentdelar. I fallet när de är lika är den destruktiva interferensen fullständig och den totala störningen av mediet är noll.
Jungs experiment
Störningsmönstret från två källor indikerar tydligt närvaron av överlappande vågor. Thomas Jung föreslog att ljus är en våg som följer principen om superposition. Hans berömda experimentella prestation var demonstrationen av konstruktiv och destruktiv störning av ljus 1801. Den moderna versionen av Youngs experiment skiljer sig väsentligen bara genom att den använder koherenta ljuskällor. Lasern belyser likformigt två parallella slitsar i en ogenomskinlig yta. Ljus som passerar genom dem observeras på en fjärrskärm. När bredden mellan slitsarna är mycket större änvåglängd, reglerna för geometrisk optik observeras - två upplysta områden är synliga på skärmen. Men när slitsarna närmar sig varandra, diffrakteras ljuset och vågorna på skärmen överlappar varandra. Diffraktion i sig är en konsekvens av ljusets vågnatur och är ytterligare ett exempel på denna effekt.
Interferensmönster
Principen för superposition bestämmer den resulterande intensitetsfördelningen på den upplysta skärmen. Ett interferensmönster uppstår när vägskillnaden från slitsen till skärmen är lika med ett heltal av våglängder (0, λ, 2λ, …). Denna skillnad säkerställer att topparna kommer samtidigt. Destruktiv interferens uppstår när vägskillnaden är ett heltal av våglängder förskjutna med hälften (λ/2, 3λ/2, …). Jung använde geometriska argument för att visa att överlagring resulterar i en serie jämnt fördelade fransar eller fläckar med hög intensitet motsvarande områden med konstruktiv interferens åtskilda av mörka fläckar av total destruktiv interferens.
Avstånd mellan hål
En viktig parameter för dubbelslitsgeometrin är förhållandet mellan ljusvåglängden λ och avståndet mellan hålen d. Om λ/d är mycket mindre än 1 kommer avståndet mellan fransarna att vara litet och inga överlappningseffekter kommer att observeras. Genom att använda täta slitsar kunde Jung separera de mörka och ljusa områdena. Således bestämde han våglängderna för färgerna av synligt ljus. Deras extremt ringa storlek förklarar varför dessa effekter endast observerasunder vissa förutsättningar. För att separera områden med konstruktiv och destruktiv störning måste avstånden mellan ljusvågskällorna vara mycket små.
våglängd
Att observera störningseffekter är utmanande av två andra skäl. De flesta ljuskällor avger ett kontinuerligt spektrum av våglängder, vilket resulterar i flera interferensmönster överlagrade på varandra, var och en med sitt eget avstånd mellan fransar. Detta tar bort de mest uttalade effekterna, som områden med tot alt mörker.
Coherence
För att störningar ska kunna observeras under en längre tidsperiod måste koherenta ljuskällor användas. Detta innebär att strålkällorna måste hålla ett konstant fasförhållande. Till exempel har två övertonsvågor med samma frekvens alltid ett fast fasförhållande vid varje punkt i rymden - antingen i fas, eller i motfas, eller i något mellanliggande tillstånd. De flesta ljuskällor avger dock inte sanna harmoniska vågor. Istället sänder de ut ljus där slumpmässiga fasförändringar sker miljontals gånger per sekund. Sådan strålning kallas inkoherent.
Den idealiska källan är en laser
Interferens observeras fortfarande när vågor av två inkoherenta källor överlagras i rymden, men interferensmönstren ändras slumpmässigt, tillsammans med en slumpmässig fasförskjutning. Ljussensorer, inklusive ögon, kan inte registreras snabbtändrar bild, men bara den tidsgenomsnittliga intensiteten. Laserstrålen är nästan monokromatisk (dvs består av en våglängd) och mycket koherent. Det är en idealisk ljuskälla för att observera störningseffekter.
Frekvensdetektering
Efter 1802 kunde Jungs uppmätta våglängder för synligt ljus relateras till den otillräckligt exakta ljushastigheten som var tillgänglig vid den tiden för att approximera dess frekvens. Till exempel, för grönt ljus är det cirka 6×1014 Hz. Detta är många storleksordningar högre än frekvensen av mekaniska vibrationer. Som jämförelse kan en människa höra ljud med frekvenser upp till 2×104 Hz. Exakt vad som fluktuerade i en sådan takt förblev ett mysterium under de kommande 60 åren.
Interferens i tunna filmer
De observerade effekterna är inte begränsade till dubbelslitsgeometrin som används av Thomas Young. När strålar reflekteras och bryts från två ytor åtskilda av ett avstånd som är jämförbart med våglängden, uppstår interferens i tunna filmer. Filmens roll mellan ytorna kan spelas av vakuum, luft, alla transparenta vätskor eller fasta ämnen. I synligt ljus är störningseffekter begränsade till dimensioner i storleksordningen några mikrometer. Ett välkänt exempel på en film är en såpbubbla. Ljuset som reflekteras från det är en överlagring av två vågor - en reflekteras från framsidan och den andra - från baksidan. De överlappar varandra i rymden och staplas med varandra. Beroende på tvålens tjocklekfilmer, kan två vågor interagera konstruktivt eller destruktivt. En fullständig beräkning av interferensmönstret visar att för ljus med en våglängd λ observeras konstruktiv interferens för en filmtjocklek på λ/4, 3λ/4, 5λ/4, etc., och destruktiv interferens observeras för λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formler för beräkning
Fenomenet interferens har många användningsområden, så det är viktigt att förstå de grundläggande ekvationerna. Följande formler låter dig beräkna olika kvantiteter associerade med störningar för de två vanligaste störningsfallen.
Placeringen av ljusa fransar i Youngs experiment, det vill säga områden med konstruktiv interferens, kan beräknas med hjälp av uttrycket: ybright.=(λL/d)m, där λ är våglängden; m=1, 2, 3, …; d är avståndet mellan slitsarna; L är avståndet till målet.
Placeringen av mörka band, d.v.s. områden med destruktiv interaktion, bestäms av formeln: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
För en annan typ av interferens - i tunna filmer - bestämmer närvaron av en konstruktiv eller destruktiv överlagring fasförskjutningen av de reflekterade vågorna, vilket beror på filmens tjocklek och dess brytningsindex. Den första ekvationen beskriver fallet med frånvaron av en sådan förskjutning, och den andra beskriver en halvvåglängdsförskjutning:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Här är λ våglängden; m=1, 2, 3, …; t är vägen som färdats i filmen; n är brytningsindex.
Observation i naturen
När solen skiner på en såpbubbla kan ljusa färgade band ses eftersom olika våglängder utsätts för destruktiv interferens och tas bort från reflektionen. Det återstående reflekterade ljuset framstår som komplement till avlägsna färger. Till exempel, om det inte finns någon röd komponent som ett resultat av destruktiv interferens, kommer reflektionen att vara blå. Tunna filmer av olja på vatten ger en liknande effekt. I naturen verkar fjädrarna på vissa fåglar, inklusive påfåglar och kolibrier, och skalen på vissa skalbaggar skimrande, men ändrar färg när betraktningsvinkeln ändras. Optikens fysik här är interferensen av reflekterade ljusvågor från tunna skiktade strukturer eller uppsättningar av reflekterande stavar. På samma sätt har pärlor och skal en iris, tack vare överlagringen av reflektioner från flera lager av pärlemor. Ädelstenar som opal uppvisar vackra interferensmönster på grund av spridningen av ljus från vanliga mönster som bildas av mikroskopiska sfäriska partiklar.
Application
Det finns många tekniska tillämpningar av ljusstörningsfenomen i vardagen. Kameraoptikens fysik är baserad på dem. Den vanliga anti-reflekterande beläggningen av linser är en tunn film. Dess tjocklek och brytning är valda för att producera destruktiv interferens av reflekterat synligt ljus. Mer specialiserade beläggningar bestående avflera lager av tunna filmer är utformade för att överföra strålning endast i ett sm alt våglängdsområde och används därför som ljusfilter. Flerskiktsbeläggningar används också för att öka reflektionsförmågan hos astronomiska teleskopspeglar, såväl som laseroptiska kaviteter. Interferometri - exakta mätmetoder som används för att upptäcka små förändringar i relativa avstånd - är baserad på observation av förskjutningar i mörka och ljusa band skapade av reflekterat ljus. Genom att till exempel mäta hur interferensmönstret kommer att förändras kan du bestämma krökningen av ytorna på optiska komponenter i bråkdelar av den optiska våglängden.