Інтерференція світла від двох когерентних джерел.

Чим сильніше відрізняються частоти коливань, тим швидше змінюється розміщення максимумів і мінімумів, і стійка інтерференція не спостерігається. Таким чином, для спостереження інтерференційної картини необхідно, щоб хвилі мали однакову частоту (період або довжину хвилі) і незмінну різницю фаз в кожній точці простору, де вони накладаються одна на одну. Такі хвилі називають когерентними. Отже, стійка інтерференційна картина спостерігається лише під час накладання когерентних хвиль.

Для одержання когерентних джерел світла вдаються до штучного прийому: розділяють пучок світла від одного джерела на два чи кілька пучків, які йдуть у різних напрямах, а потім знову зводять і накладають один на одного. Якщо ці частини однієї хвилі пройдуть різну відстань, то між ними виникне різниця фаз, обумовлена різницею ходу хвиль, і при накладанні хвиль повинні виникнути інтерференційні явища. Це розділення пучка на два можна здійснити різними способами. Наприклад, за допомогою біпризми. Біпризма - це дві вузькі призми, складені малими основами.
Поставимо перед біпризмою джерело S монохроматичного випромінювання, тобто випромінювання з однією строго визначеною частотою коливань. Таке випромінювання можна дістати за допомогою світлофільтра, який пропускає світло одного кольору, точніше - однієї частоти коливань. На екрані Е виникне інтерференційна картина. Вона є чергуванням світлих і темних смуг, із світлою смугою посередині. Світлі смуги інтерференції мають колір світлофільтра, встановленого перед джерелом світла.
Пояснюється виникнення інтерференційної картини так. Усі промені, які падають на праву призму, після заломлення в ній ідуть так, ніби вони вийшли з точки S1, яка є уявним зображенням джерела світла S. Аналогічно промені після заломлення в лівій призмі йдуть так, ніби вони вийшли з точки S2. Таким чином, на всій поверхні екрана відбувається накладання когерентних променів, які ніби йдуть від двох уявних і когерентних джерел світла S1 і S2 У середині інтерференційної картини проти джерела світла видно світлу смугу, оскільки в цьому місці когерентні хвилі накладаються з однаковими фазами. При віддаленні від центральної світлої смуги на екрані різниця ходу променів зростає, і коли вона досягає (1/2 l), на екрані по обидва боки від центральної світлої виникають темні смуги. Коли різниця ходу променів досягає l, на екрані виникають світлі смуги, потім при різниці ходу променів 3/2 l, - темні смуги. Якщо на біпризму спрямувати світло якогось іншого кольору, то спостерігатиметься аналогічна інтерференційна картина, але відстані між світлими і темними смугами будуть іншими. Наприклад, при освітленні біпризми червоним світлом відстані між смугами виявляються більшими, ніж при освітленні зеленим чи синім світлом.
Дістати когерентні світлові пучки можна за допомогою дзеркал Френеля, які являють собою два плоскі дзеркала, розміщені під кутом майже 180° одне до. Якщо на ці дзеркала спрямувати пучок світла, то він роздвоюється дзеркалами і від кожного дзеркала світло поширюється розбіжним пучком. Після відбивання обидва пучки світла накладаються один на одного і інтерферують. На екрані виникає така сама інтерференційна картина, як коли б екран освітлювався когерентними джерелами S1 і S2, уявними зображеннями джерела світла S у дзеркалах.

Когерентні світлові хвилі можна одержати, якщо будь-яким способом поділити (за допомогою відбивання або заломлення) світло, яке випромінюється кожним атомом джерела, на дві частини. Якщо ці дві хвилі пройдуть різні оптичні шляхи, а потім накладаються одна на одну, то спостерігається інтерференція. Різниця оптичних довжин шляхів, які проходять інтерферуючі хвилі, не повинна бути дуже великою, тому що коливання, які додаються повинні належати одному і тому ж цугу хвиль.

129. Дифракція світла. Дифракційна гратка.

Явище огинання хвилями перешкод називають дифракцією. Дифракція призводить, наприклад, до розходження хвилі після проходження через вузький отвір. Дифракція світла зумовлена його хвильовою природою.

Розглянемо падіння світла на перешкоду. Світло за перешкодою згідно з засадами геометричної оптики не може проходити за межі геометричної тіні. В дійсності це не так: хвиля проникає у весь простір за перешкодою.

Для пояснення прямолінійного поширення світла Х.Гюйгенс запропонував принцип, згідно з яким кожну точку хвильового фронту можна вважати центром вторинних елементарних сферичних хвиль, і хвильовий фронт у будь-який наступний момент часу визначається як огинаюча поверхня цих елементарних фронтів хвиль. Доповнив принцип Гюйгенса Френель твердженням про те, що вторинні хвилі інтерферують між собою. Він показав, що допоміжні вторинні джерела корегентні між собою, оскільки їх фази коливань визначаються збудженням, яке зумовлене дією первинного джерела. За допомогою принципа Гюйгенса-Френеля можна одержати розподіл інтенсивності при поширенні світлових хвиль, на шляху яких наявні перешкоди. Хвиля не поширюється у зворотньому напрямку, тому що при розповсюдженні у просторі, де вже є хвильові збурення, зумовленні прямою хвилею. При інтерференції прямих і вторинних хвиль вони гасять одна одну.

Дифракційна ґратка — це пристрій, що має N однакових паралельних щілин, розміщених на рівних відстанях одна від одної в одній або різних площинах. Найчастіше для її виготовлення беруть скляну пластинку і на її поверхні наносять ряд рівновіддалених штрихів. Штрихи на склі дуже розсіюють світло і виконують роль непрозорих проміжків, а смужки скла відіграють роль щілини. Принцип роботи дифракційної ґратки ґрунтується на дифракції світлових хвиль, які взаємодіють з нею, та подальшій інтерференції цих дифрагованих хвиль. Число дифракційних максимумів та їх напрямки поширення залежать від періоду гратки і довжини хвилі світла і можуть бути визначені з допомогою рівняння: ,

де θi — кут падіння світлового пучка на гратку, θm(λ) — кут дифракції для пучка m-го порядку, λ — довжина хвилі світла, d — період гратки, m — порядок дифракції. Суму довжин проміжку і штриха а+b=d називають періодом гратки. Це рівняння називається рівнянням дифракційної гратки. З цього рівняння випливає, що кут дифракції залежить від довжини хвилі світла. Отже, якщо на гратку буде падати біле світло, то воно буде розкладатися граткою у спектр. До основних характеристик дифракційних граток відносять роздільну здатність та дисперсію. Розсіювальна здатність гратки: R= λ/ Δλ=mN, де N – число штрихів гратки. Дисперсією світла називають вираз D=dφ/dλ, за яким визначають кутову відстань між двома спектральними лініями.