Монохроматичность и когерентность световых волн.

Монохроматические волны - неограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты.

Когерентность – согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов.

Методы наблюдения интерференции.

1. Метод Юнга.

 

 

Источником света служит ярко освещенная щель S, от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S ₁ и S ₂, параллельные щели S. Таким образом, щели S ₁и S ₂ играют роль когерентных источников. Интерференционная картина (область ВС) наблюдается на экране (Э), расположенном на некотором расстоянии параллельно S ₁ и S ₂.

2. Зеркала Френеля.

 

 

Свет от источника S падает расходящимся пучком на два плоских зеркала А ₁ О и А ₂ О, расположенных относительно друг друга под углом, лишь немного отличающимся от 180° (угол φ мал). Используя правила построения изображения в плоских зеркалах, можно показать, что и источник, и его изображения S ₁ и S ₂ (угловое расстояние между которыми равно 2φ) лежат на одной и той же окружности радиуса r с центром в О (точка соприкосновения зеркал).

Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими из мнимых источников S ₁ и S ₂, являющихся мнимыми изображениями S в зеркалах. Мнимые источники S ₁ и S ₂ взаимно когерентны, и исходящие из них световые пучки, встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрывания. Можно показать, что максимальный угол расхождения перекрывающихся пучков не может быть больше 2φ. Интерференционная картина наблюдается на экране (Э), защищенном от прямого попадания света заслонкой (З).

Бипризма Френеля.

 

Она состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с малыми преломляющими углами. Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых источников S ₁ и S ₂, являющихся когерентными. Таким образом, на поверхности экрана (в заштрихованной области) происходит наложение когерентных пучков и наблюдается интерференция.

Дифракция света.

Дифракция- огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики.

Принцип Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Волновой фронт – геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t.

Волновая поверхность – геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе.

Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране. Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн (в однородной изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т. е. волна огибает края отверстия.

 

 

Теория Гюйгенса не объясняет прямолинейное распространение света (в частности, формирование резкой тени предметом, освещаемым точечным источником света). Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям.

Принцип Гюйгенса – Френеля: световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками.

Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно.

Метод зон Френеля.

1) Найдем в произвольной точке М амплитуду световой волны, распространяющейся в однородной среде из точечного источника S.

 

 

Согласно принципу Гюйгенса - Френеля, заменим действие источника S действием воображаемых источников, расположенных на вспомогательной поверхности Ф, являющейся поверхностью фронта волны, идущей из S (поверхность сферы с центром S).

2) Согласно Френелю, разобьем волновую поверхность Ф на кольцевые зоны такого размера, чтобы расстояния от краев зоны до М отличались на , т. е.

.

Подобное разбиение фронта волны на зоны можно выполнить, проведя с центром в точке М сферы радиусами , ,….

3) Так как колебания от соседних зон проходят до точки М расстояния, отличающиеся на , то в точку М они приходят в противоположных фазах и при наложении эти колебания будут ослаблять друг друга, поэтому амплитуда результирующего светового колебания в точке М:

,

где  - амплитуды колебаний, возбуждаемых 1-й, 2-й, … зонами.

Амплитуда результирующего колебания в произвольной точке определяется только как бы действием половины центральной зоны Френеля, т. е. действие всей волновой поверхности на данную точку сводится к действию ее малого участка, меньшего центральной зоны.

Распространение света от S к М происходит так, как будто световой поток распространяется внутри очень узкого канала вдоль SM, т. е. прямолинейно.

Правомерность деления волнового фронта на зоны Френеля подтверждена экспериментально с помощью зонных пластинок.

Зонные пластинки (в простейшем случае) – стеклянные пластинки, состоящие из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец, построенных по принципу расположения зон Френеля, т. е. с радиусами зон Френеля.