Motnje svetlobe

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Motnje svetlobe – Jungova izkušnja

Interferenca svetlobe ( lat. interferens , iz inter -med + -ferens - nosilec, prenašanje) - interferenca elektromagnetnih valov (v ožjem pomenu - najprej vidna svetloba) - prerazporeditev jakosti svetlobe kot posledica superpozicije ( superpozicije ) več svetlobnih valov . Za ta pojav so običajno značilni izmenični maksimumi in minimumi jakosti svetlobe v prostoru. Specifična oblika takšne porazdelitve jakosti svetlobe v prostoru ali na zaslonu, kamor svetloba pada, se imenuje interferenčni vzorec.

Ker je pojav interference neposredno odvisen od valovne dolžine, pri interferenci svetlobe, ki vsebuje različne spektralne komponente (barve), na primer belo svetlobo, pride do ločitve teh spektralnih komponent, ki so vidne očesu v primeru bela svetloba kot mavrične črte.

Zgodovina odkritij

Prvič so fenomen interference neodvisno odkrili Grimaldi (za žarek, ki je šel skozi dve tesni luknji), Robert Boyle in Robert Hooke (za interferenco v tankih slojih prozornih medijev, kot so milne folije, tanke stene steklenih kroglic , tanki listi sljude; opazili so to pojav večbarvne barve; hkrati je Hooke opazil tudi periodično odvisnost barve od debeline plasti). Grimaldi je bil prvi, ki je povezal pojav interference z idejo o valovnih lastnostih svetlobe, čeprav še vedno v precej nejasni in nerazviti obliki.

Leta 1801 je Thomas Jung (1773-1829), ki je uvedel "načelo superpozicije" , prvi podal dovolj podrobno in pravzaprav nič drugačno razlago tega pojava in v znanstveno uvedel izraz "vmešavanje". uporaba (1803). Izvedel je tudi demo eksperiment za opazovanje svetlobnih motenj tako, da je pridobil interferenco iz dveh rež svetlobnih virov (1802); Jungova izkušnja je pozneje postala klasična.

Motnje svetlobe v tankih filmih

glavni članek: Interferenca v tankih filmih

Interferenca tankega filma. - vpadni kot, - lomni kot, rumeni žarek bo zaostajal za oranžnim, z očesom se zbližajo v enega in motijo.

Pridobivanje stabilnega interferenčnega vzorca za svetlobo iz dveh prostorsko ločenih in neodvisnih svetlobnih virov ni tako enostavno kot pri virih vodnih valov . Atomi oddajajo svetlobo v vlakih zelo kratkega trajanja in koherentnost je motena. Relativno preprosto je dobiti takšno sliko tako, da valovi istega vlaka interferirajo na tak način [1] . Torej, do motenj pride, ko se začetni žarek svetlobe razdeli na dva snopa, ko prehaja skozi tanek film, na primer film, ki se nanese na površino leč v prevlečenih lečah . Žarek svetlobe valovne dolžine pada pravokotno na površino filma z debelino , se bo odražalo dvakrat - od svoje notranje in zunanje površine. Če je film dovolj tanek, da njegova debelina ne presega valovne dolžine vpadnega niza svetlobnih valov , bodo odbiti žarki na zgornjem vmesniku med medijem koherentni in zato lahko interferirajo.

Sprememba faze žarka, ki prehaja skozi film, je v splošnem primeru odvisna od lomnega količnika filma in okoliških medijev. Poleg tega je treba upoštevati, da svetloba, ko se odbije od optično gostejšega medija, spremeni svojo fazo za polovico obdobja. Tako na primer v primeru zraka ( ) okoli tankega oljnega filma ( ), bo žarek, ki se odbija od zunanje površine, imel fazni premik , ampak od notranjega - ne bo. Interferenca bo konstruktivna, če je končna razlika med potmi, ki jih ti žarki prehodijo na površini filma, polovica celega števila valovnih dolžin v filmu ...

to je

Za destruktivne motnje v tem primeru je potrebno, da je fazna razlika med žarki večkratnik ...

to je

Za debeline filma bo prišlo do popolnega zatiranja žarkov:

Če nm, nato pa dolžina tega vala v oljnem filmu nm.

Rahlo vmešavanje na milni mehurček

Pri formula daje rezultat nm - in to je najmanjša debelina filma za dane pogoje za nastanek destruktivnih motenj.

Žarki sosednjih spektralnih območij na obeh straneh nm popolnoma ne motijo ​​in samo oslabijo. Posledično ojačanje nekaterih delov spektra in slabljenje drugih spremeni barvo filma. Poleg tega se najmanjše spremembe v debelini filma takoj izrazijo v premiku spektra opazovane barve - ta učinek je mogoče enostavno prikazati na primeru milnega mehurčka.

Pojav motenj opazimo v tankem sloju tekočin, ki se ne mešajo ( kerozin ali olje na površini vode), v milnih mehurčkih , bencinu , na krilih metuljev , v temnih barvah itd.

Newtonovi prstani

Druga metoda za pridobitev stabilnega interferenčnega vzorca za svetlobo je uporaba zračnih rež, ki temelji na isti razliki poti med obema deloma vala: eden se takoj odbije od notranje površine leče, drugi pa prehaja skozi zrak. vrzel pod njim in šele nato odseva. Dobimo ga tako, da na stekleno ploščo položimo ploskokonveksno lečo z izbočeno navzdol. Ko je leča od zgoraj osvetljena z monokromatsko svetlobo , se na mestu dokaj tesnega stika med lečo in ploščo oblikuje temna lisa, obdana z izmenično temnimi in svetlimi koncentričnimi obroči različnih jakosti. Temni obroči ustrezajo interferenčnim minimumom, svetli pa maksimumom, hkrati pa so temni in svetli obroči izolinije enake debeline zračne reže. Z merjenjem polmera svetlega ali temnega obroča in določitvijo njegove zaporedne številke iz središča lahko določite valovno dolžino monokromatske svetlobe. Čim bolj strma je površina leče, še posebej bližje robom, tem manjša je razdalja med sosednjimi svetlimi ali temnimi obroči [2] .

Matematični opis

Interferenca dveh ravninskih valov

Naj bosta dva ravna valova:
in

Po načelu superpozicije bo nastalo polje na območju presečišča teh valov določeno z vsoto:


Intenzivnost je določena z razmerjem:


Od kod, ob upoštevanju:
:


Za preprostost si oglejte enodimenzionalni primer in sousmerjenost polarizacije valov,
potem lahko izraz za intenzivnost prepišemo v enostavnejši obliki:


Interferenčni vzorec je izmenjava svetlih in temnih črt, katerih korak je enak:

Primer tega primera je interferenčni vzorec v svetlobi, ki se odbija od površin ravno vzporedne plošče.

Primer neenakih frekvenc

Nekateri učbeniki in priročniki pravijo, da so svetlobne motnje možne le za valove, ki nastanejo iz enega vira svetlobe z amplitudo ali delitvijo polja valovnih front. Ta izjava je napačna. Z vidika principa superpozicije interferenca vedno obstaja, tudi če interferirata valovi iz dveh različnih svetlobnih virov. Pravilno bi bilo govoriti o opazovanju oziroma možnosti opazovanja interferenčnega vzorca. Slednji so lahko časovno nestacionarni, kar vodi v zamegljenost in izginotje interferenčnih robov. Razmislite o dveh ravninskih valovih z različnimi frekvencami:

in

Po načelu superpozicije bo nastalo polje na območju presečišča teh valov določeno z vsoto:


Naj neka naprava, ki ima določen karakteristični čas registracije (osvetlitve), fotografira interferenčni vzorec. V fizični optiki se intenzivnost imenuje časovno povprečen tok svetlobne energije skozi enoto površine, pravokotno na smer širjenja valov. Čas povprečja je določen s časom integracije fotodetektorja, za naprave, ki delujejo v načinu kopičenja signala (kamere, film itd.), pa s časom osvetlitve. Zato se optični sprejemniki odzivajo na povprečno vrednost energijskega toka. To pomeni, da je signal iz fotodetektorja sorazmeren:


kjer <> pomeni povprečje. V številnih znanstvenih in tehničnih aplikacijah je ta koncept posplošen na vse, vključno z neravnimi valovi. Ker se v večini primerov, na primer, pri problemih, povezanih z interferenco in difrakcijo svetlobe, raziskuje predvsem prostorski položaj maksimumov in minimumov ter njihova relativna intenzivnost, se konstantni faktorji, ki niso odvisni od prostorskih koordinat, pogosto ne upoštevajo. Zaradi tega se pogosto verjame:


Kvadrat modula amplitude je podan z razmerjem:


Od koder z zamenjavo jakosti električnega polja dobimo:

, kje , ,

Ob upoštevanju definicije intenzivnosti lahko greste na naslednji izraz:

[ena] , kje - intenzivnost valovanja

Če vzamemo integral skozi čas in uporabimo formulo sinusne razlike, dobimo naslednje izraze za porazdelitev intenzivnosti:


V končnem razmerju se izraz, ki vsebuje trigonometrične faktorje, imenuje interferenčni člen. Odgovoren je za modulacijo intenzivnosti z interferenčnimi robovi. Stopnja vidnosti robov na ozadju srednje intenzivnosti se imenuje vidnost ali kontrast interferenčnih robov:


Pogoji opazovanja motenj

Poglejmo nekaj tipičnih primerov:

1. Ortogonalnost polarizacije valov.

Pri čemer in ... Interferenčnih robov ni, kontrast pa je 0. Nadalje, brez izgube splošnosti, lahko domnevamo, da so polarizacije valov enake.

2. V primeru enakosti valovnih frekvenc in kontrast črt ni odvisen od časa osvetlitve ...

3. V primeru ( radian ) vrednost funkcije in ni opažen noben interferenčni vzorec. Kontrast obrobja, kot v primeru ortogonalnih polarizacije, je enak 0

4. V primeru kontrast pasov je v bistvu odvisen od frekvenčne razlike in časa osvetlitve.

Splošni primer motenj

Pri jemanju integrala v razmerju [1] je bilo predvideno, da je fazna razlika ni odvisno od časa. Pravi svetlobni viri oddajajo s konstantno fazo le za določen značilen čas, ki se imenuje koherenčni čas. Zaradi tega se pri obravnavanju vprašanj motenj uporablja koncept valovne koherence. Valovi se imenujejo koherentni, če fazna razlika teh valov ni odvisna od časa. Na splošno naj bi bili valovi delno koherentni. Poleg tega, ker obstaja nekaj odvisnosti občasno se interferenčni vzorec sčasoma spremeni, kar vodi do poslabšanja kontrasta ali do popolnega izginotja robov. V tem primeru se pri obravnavi problema motenj, na splošno in ne monokromatskega (polikromatskega) sevanja, uvede koncept kompleksne stopnje koherentnosti. . Интерференционное соотношение принимает вид

Оно называется общим законом интерференции стационарных оптических полей.

Интерференция отдельных фотонов

Интерференция света происходит не в результате сложения разных фотонов, а в результате интерференции фотона самого с собой . [3] При этом временная когерентность не требуется для формирования статистической интерференционной картины — фотоны могут проходить один за одним с неограниченным периодом следования. [3] [4] В 1909 году английский учёный Джеффри Тейлор провёл опыт с использованием чрезвычайно слабого источника света и установил, что волновое поведение присуще отдельным фотонам.

См. также

Примечания

  1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. §58. Интерференция света // Физика: Учеб. для 10 кл. сред. шк. — 9-е изд. — М. : Просвещение , 1987. — С. 158—161. — 319 с.
  2. Ландсберг Г.С. §126. Кольца Ньютона // Элементарный учебник физики. — 13-е изд. — М. : Физматлит , 2003. — Т. 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. — С. 249-266. — 656 с. — ISBN 5922103512 .
  3. 1 2 3 Интерференция света / М. Д. Галанин // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  4. 1 2 Видео из опыта Юнга при очень слабом потоке фотонов - Лейденский университет

Литература

  • Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты, — Изд. 4-е, сокр. — М. : «Искусство», 1977.
  • Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М. . — Т. IV. Оптика.

Ссылки