Interferenčni vzorci so svetli ali temni pasovi, ki jih povzročajo žarki, ki so med seboj v fazi ali izven faze. Pri superponiranju se svetlobni in podobni valovi seštevajo, če njune faze sovpadajo (tako v smeri naraščanja kot padanja), ali pa se medsebojno kompenzirajo, če so v protifazi. Ti pojavi se imenujejo konstruktivna in destruktivna interferenca. Če snop monokromatskega sevanja, ki imata vsi enako valovno dolžino, preide skozi dve ozki reži (poskus je leta 1801 prvič izvedel angleški znanstvenik Thomas Young, ki je po njegovi zaslugi prišel do zaključka o valovni naravi svetlobe), lahko dva nastala snopa usmerimo na ravno zaslon, na katerem se namesto dveh prekrivajočih se lis oblikujejo interferenčne obrobe - vzorec enakomerno izmeničnih svetlih in temnih območij. Ta pojav se uporablja na primer v vseh optičnih interferometrih.
superpozicija
Določujoča značilnost vseh valov je superpozicija, ki opisuje obnašanje superponiranih valov. Njegovo načelo je, da je v vesoljuČe se prekriva več kot dva vala, je nastala motnja enaka algebraični vsoti posameznih motenj. Včasih je to pravilo kršeno za velike motnje. To preprosto vedenje vodi do vrste učinkov, imenovanih motnje.
Za pojav motenj sta značilna dva skrajna primera. V konstruktivnih maksimumih oba vala sovpadata in sta med seboj v fazi. Rezultat njihove superpozicije je povečanje motečega učinka. Amplituda nastalega mešanega vala je enaka vsoti posameznih amplitud. In, nasprotno, pri destruktivnih motnjah maksimum enega vala sovpada z minimumom drugega - so v protifazi. Amplituda kombiniranega vala je enaka razliki med amplitudami njegovih sestavnih delov. V primeru, ko sta enaka, je destruktivna interferenca popolna, skupna perturbacija medija pa je nič.
Jungov eksperiment
Interferenčni vzorec iz dveh virov jasno kaže na prisotnost prekrivajočih se valov. Thomas Jung je predlagal, da je svetloba val, ki je podrejen principu superpozicije. Njegov slavni eksperimentalni dosežek je bila demonstracija konstruktivne in destruktivne interference svetlobe leta 1801. Sodobna različica Youngovega eksperimenta se bistveno razlikuje le po tem, da uporablja koherentne svetlobne vire. Laser enakomerno osvetli dve vzporedni reži na neprozorni površini. Svetloba, ki prehaja skozi njih, je opazovana na oddaljenem zaslonu. Ko je širina med režami veliko večja odvalovne dolžine se upoštevajo pravila geometrijske optike - na zaslonu sta vidni dve osvetljeni področji. Ko pa se reže približujejo druga drugi, se svetloba ukloni in valovi na zaslonu se prekrivajo. Sama difrakcija je posledica valovne narave svetlobe in je še en primer tega učinka.
interferenčni vzorec
Načelo superpozicije določa nastalo porazdelitev intenzivnosti na osvetljenem zaslonu. Interferenčni vzorec se pojavi, ko je razlika poti od reže do zaslona enaka celemu številu valovnih dolžin (0, λ, 2λ, …). Ta razlika zagotavlja, da so vzponi prispeli ob istem času. Uničujoče motnje nastanejo, ko je razlika poti celo število valovnih dolžin, premaknjenih za polovico (λ/2, 3λ/2, …). Jung je uporabil geometrijske argumente, da bi pokazal, da superpozicija povzroči vrsto enakomerno razporejenih robov ali madežev visoke intenzivnosti, ki ustrezajo območjem konstruktivne interference, ločenim s temnimi lisami popolne destruktivne interference.
Razdalja med luknjami
Pomemben parameter geometrije dvojne reže je razmerje med valovno dolžino svetlobe λ in razdaljo med luknjami d. Če je λ/d veliko manjši od 1, bo razdalja med robovi majhna in ne bodo opazili učinkov prekrivanja. Z uporabo tesno razporejenih rež je Jung lahko ločil temna in svetla področja. Tako je določil valovne dolžine barv vidne svetlobe. Njihova izjemno majhna velikost pojasnjuje, zakaj so ti učinki opaženi lepod določenimi pogoji. Za ločevanje območij konstruktivnih in destruktivnih motenj morajo biti razdalje med viri svetlobnih valov zelo majhne.
valovna dolžina
Opazovanje učinkov motenj je izziv iz dveh drugih razlogov. Večina svetlobnih virov oddaja neprekinjen spekter valovnih dolžin, kar ima za posledico več interferenčnih vzorcev, ki se prekrivajo drug na drugega, vsak s svojim razmikom med robovi. To izniči najbolj izrazite učinke, kot so območja popolne teme.
Skladnost
Da bi lahko motnje opazili v daljšem časovnem obdobju, je treba uporabiti koherentne vire svetlobe. To pomeni, da morajo viri sevanja vzdrževati konstantno fazno razmerje. Na primer, dva harmonična vala enake frekvence imata vedno fiksno fazno razmerje na vsaki točki v prostoru – bodisi v fazi, bodisi v protifazi ali v nekem vmesnem stanju. Vendar pa večina svetlobnih virov ne oddaja pravih harmoničnih valov. Namesto tega oddajajo svetlobo, v kateri se naključne fazne spremembe zgodijo milijone krat na sekundo. Takšno sevanje imenujemo nekoherentno.
Idealni vir je laser
Interfero še vedno opazimo, ko se valovi dveh nekoherentnih virov prekrivajo v prostoru, vendar se interferenčni vzorci spreminjajo naključno, skupaj z naključnim faznim premikom. Svetlobni senzorji, vključno z očmi, se ne morejo hitro registriratispreminjanje slike, ampak samo časovno povprečno intenzivnost. Laserski žarek je skoraj monokromatski (tj. sestavljen iz ene valovne dolžine) in zelo koherenten. Je idealen vir svetlobe za opazovanje motenj.
Zaznavanje frekvence
Po letu 1802 bi lahko Jungove izmerjene valovne dolžine vidne svetlobe povezale z nezadostno natančno hitrostjo svetlobe, ki je bila takrat na voljo, da bi približala njeni frekvenci. Na primer, za zeleno luč je približno 6×1014 Hz. To je veliko vrst večje od frekvence mehanskih vibracij. Za primerjavo, človek lahko sliši zvok s frekvencami do 2×104 Hz. Kaj točno je nihalo s tako hitrostjo, je ostalo skrivnost naslednjih 60 let.
Interferenca v tankih filmih
Opaženi učinki niso omejeni na geometrijo dvojne reže, ki jo uporablja Thomas Young. Ko se žarki odbijajo in lomijo od dveh površin, ki sta ločeni z razdaljo, primerljivo z valovno dolžino, pride do interference v tankih filmih. Vlogo filma med površinami lahko igrajo vakuum, zrak, vse prozorne tekočine ali trdne snovi. V vidni svetlobi so interferenčni učinki omejeni na dimenzije reda nekaj mikrometrov. Dobro znan primer filma je milni mehurček. Svetloba, ki se odbije od nje, je superpozicija dveh valov - eden se odbija od sprednje površine, drugi pa od zadnje. V prostoru se prekrivajo in se zlagajo med seboj. Odvisno od debeline milafilmov, lahko dva vala medsebojno delujeta konstruktivno ali destruktivno. Celoten izračun interferenčnega vzorca kaže, da pri svetlobi z eno valovno dolžino λ opazimo konstruktivne motnje za debelino filma λ/4, 3λ/4, 5λ/4 itd., destruktivne motnje pa opazimo pri λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formule za izračun
Fenomen interference ima veliko uporab, zato je pomembno razumeti osnovne enačbe. Naslednje formule vam omogočajo izračun različnih količin, povezanih z motnjami za dva najpogostejša primera motenj.
Lokacijo svetlih robov v Youngovem poskusu, to je območij s konstruktivno interferenco, lahko izračunamo z izrazom: ysvetlo.=(λL/d)m, kjer je λ je valovna dolžina; m=1, 2, 3, …; d je razdalja med režami; L je razdalja do cilja.
Lokacija temnih pasov, to je območij destruktivne interakcije, je določena s formulo: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
Za drugo vrsto motenj - v tankih filmih - prisotnost konstruktivne ali destruktivne superpozicije določa fazni premik odbitih valov, ki je odvisen od debeline filma in njegovega lomnega količnika. Prva enačba opisuje primer odsotnosti takega premika, druga pa premik polovične valovne dolžine:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Tukaj je λ valovna dolžina; m=1, 2, 3, …; t je pot, prehojena v filmu; n je lomni količnik.
Opazovanje v naravi
Ko sonce sije na milni mehurček, je mogoče videti svetle barvne pasove, saj so različne valovne dolžine izpostavljene uničujočim motnjam in so odstranjene od odseva. Preostala odbita svetloba je videti kot komplementarna oddaljenim barvam. Na primer, če zaradi destruktivnih motenj ni rdeče komponente, bo odsev moder. Tanke plasti olja na vodi povzročajo podoben učinek. V naravi se perje nekaterih ptic, vključno s pavom in kolibrijem, ter lupine nekaterih hroščev zdijo mavrične, vendar spremenijo barvo, ko se spremeni kot gledanja. Fizika optike tukaj je interferenca odbitih svetlobnih valov od tankoplastnih struktur ali nizov odsevnih palic. Podobno imajo biseri in školjke šarenico, zahvaljujoč superpoziciji odsevov iz več plasti biserne matere. Dragi kamni, kot je opal, imajo čudovite interferenčne vzorce zaradi sipanja svetlobe iz pravilnih vzorcev, ki jih tvorijo mikroskopski sferični delci.
Prijava
Obstaja veliko tehnoloških aplikacij pojavov svetlobnih motenj v vsakdanjem življenju. Na njih temelji fizika optike kamere. Običajni antirefleksni premaz leč je tanek film. Njegova debelina in lom sta izbrana tako, da povzročita destruktivno interferenco odbite vidne svetlobe. Bolj specializirani premazi, sestavljeni izveč plasti tankih filmov je zasnovanih za prenos sevanja le v ozkem območju valovnih dolžin in se zato uporabljajo kot svetlobni filtri. Večslojni premazi se uporabljajo tudi za povečanje odbojnosti ogledal astronomskih teleskopov, pa tudi laserskih optičnih votlin. Interferometrija – natančne merilne metode, ki se uporabljajo za odkrivanje majhnih sprememb relativnih razdalj – temelji na opazovanju premikov temnih in svetlih pasov, ki jih ustvarja odbita svetloba. Na primer, merjenje, kako se bo interferenčni vzorec spremenil, vam omogoča, da določite ukrivljenost površin optičnih komponent v delcih optične valovne dolžine.
