Двухлучевая интерференция.

Цель работы

1.1. Изучить явление интерференции света.

1.2. Изучить метод определения радиуса кривизны линзы с помощью интерференционных полос равной толщины.

1.3. Определить радиус кривизны и деформацию линзы.

Интерференция света.

Двухлучевая интерференция.

Свет представляет собой электромагнитную волну. В большинстве случаев физическое воздействие света на вещество связано с электрическим полем этой волны. Интерференция света – перераспределение энергии светового излучения в пространстве при наложении двух или нескольких когерентных световых волн, приводящее к возникновению максимумов и минимумов интенсивности в различных точках пространства. Объяснение интерференции света как типично волнового явления было дано Т. Юнгом и О. Френелем в начале 19 века.

Когерентными называются волны, у которых разность фаз не изменяется с течением времени. Когерентные волны имеют одинаковую частоту и, кроме того, колебания векторов напряженности электрического поля складываемых световых волн и должны происходить вдоль одного направления (т.е. они должны обладать одинаковой поляризацией).

Рассмотрим процесс сложения таких волн в некоторой точке пространства. В этом случае значения напряженностей E ₁ и E ₂ можно представить в виде:

где Е _m1 и Е _m2 – амплитуды волн, α₁ и α₂ – начальные фазы. Амплитуду результирующего колебания E (t) можно найти с помощью метода векторных диаграмм (рис. 1):

(1)

где δ - разность фаз (δ = α₂ - α₁).

Рис.1.

Так как частота световых колебаний очень велика (~10¹⁴с^-1), непосредственное измерение напряженности электрического поля световой волны в какой-либо момент времени является невозможным. Поэтому на практике определяют не напряженность, а интенсивность световой волны I, которая представляет собой усредненное по времени значение плотности потока энергии. При этом интенсивность световой волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля, т.е. I ~ E _m². Промежуток времени, в течение которого происходит усреднение, D t _in называют временем усреднения или интегрирования. Например, для глаза человека D t _in ~ 0,1 с, для наиболее быстродействующих приёмников оптического излучения D t _in ~ 10^-10с.

При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства интенсивность результирующей световой волны в соответствии с формулой (1) имеет вид:

,

где Ι₁и Ι₂ – интенсивности первой и второй волн (Ι₁ ~ E _m1², Ι₂ ~ E _m2²).

В случае когерентных волн разность фаз δ в рассматриваемой точке пространства не изменяется с течением времени. В точках пространства, для которых , наблюдаются максимумы. Для этих точек разность фаз принимает значение

,

где m = 0, 1, 2, 3, …. Величину m называют порядок максимума. Если же для точек пространства справедливо условие , то в них располагаются минимумы. В этом случае

В случае сложения когерентных волн положение минимумов и максимумов в пространстве не изменяется с течением времени, т.е. наблюдается стационарная интерференционная картина.

Если же накладываются две некогерентные волны (например, от двух лампочек), положение максимумов и минимумов в пространстве чрезвычайно быстро изменяется с течением времени, и мы наблюдаем некоторую усредненную картину. Для любой точки пространства величина , входящая в (1), за время D t _in многократно принимает с равной вероятностью как положительные, так и отрицательные значения. Поэтому среднее значение за время D t _in равно нулю, и из формулы (1) следует закон сложения интенсивностей некогерентных волн: