Кто из нас в детстве не пускал мыльные пузыри? Дунешь в соломинку, и
из нее появляется тонкая мыльная пленка. Пузырь растет и переливается на
солнце всеми цветами радуги. Те же переливы видны в тонких пленках масла
или нефти, плавающих на воде. Эта игра красок вызвана интерференцией
света.
Впервые интерференционные явления наблюдал в XVII в. Ньютон. Однако
потребовалось время, чтобы осмыслить причины, их вызывающие. Главную
роль в толковании принципов интерференции света сыграли труды Юнга и
Френеля, опубликованные в начале XIX в.
Интерференция света
Давайте подумаем, что произойдет, если экран осветить двумя
монохроматическими пучками света с одинаковой длиной волны и равной
энергией. Казалось бы, при совмещении пучков освещенность экрана должна
увеличиться вдвое. Но не торопитесь с ответом: результат зависит от
разности фаз падающих на экран волн. Если эта разность непостоянна, то
энергия потоков действительно просуммируется. Это имеет место, когда
потоки идут от разных источников света. Картина изменится, если разность
будет одинаковой в течение всего времени наблюдения, т. е. когда потоки
когерентны. Тогда на экране появятся чередующиеся темные и светлые
полосы (рис. 69). Это - интерференционная картина. Освещенность экрана
от точки к точке меняется по синусоидальному закону. В минимумах она
равна нулю, а в максимумах - в четыре раза превышает освещенность,
создаваемую каждым потоком в отдельности. При этом никакого отступления
от закона сохранения энергии здесь нет. Действительно, в местах
минимумов световая энергия потоков не переходит в другие формы,
например, в тепло. Все сводится лишь к перераспределению светового
потока в плоскости экрана. Такая периодичность обусловлена разностью фаз
между интерферирующими волнами. Из рис. 70 видно, что световая волна,
идущая от источника S1, проходит неодинаковые оптические пути до точек
А, В и С на экране. Это означает, что фазы волны в этих точках разные.
То же относится и к волне, исходящей от источника S2.
Если это так, то в точках А, В и С разность фаз интерферирующих лучей
неодинакова. Участки экрана, в которые интерферирующие волны приходят с
одинаковой фазой, наиболее освещены, а в противофазе - остаются темными.
Расстояние между соседними максимумами (или минимумами) освещенности
принято называть шириной полосы. Это важный параметр в интерферометрии,
соответствующий изменению фазы на 2л.
Итак, для интерференции волн необходимыми условиями являются их
пересечение и когерентность. Необходимыми, но недостаточными. Опыт
показывает, что видимость полос наилучшая, если волны поляризованы
одинаково. При взаимно перпендикулярной поляризации интерференция
исчезает и область перекрытия световых пучков становится равномерно
освещенной. Однако интерференционная картина контрастна не во всех
областях пространства. Плоскость, где полосы наиболее ярки и контрастны,
называют плоскостью локализации.
Вернемся к вопросу о когерентности. До появления лазеров в природе не
существовало когерентных источников света.
Рис. 69. Распределение освещенности экрана при
интерференции двух волн: а - поле интерференции; б - график
интенсивности интерференционного поля в функции координаты I (10 -
интенсивность одного из пучков света)
Однако лазеры - это детище 60-х гг. нашего столетия, а интерференция
как область науки существует почти 200 лет. В этой связи нельзя не
вспомнить способы получения когерентных волн: делением амплитуды волны и
делением волнового фронта. Идея разделить амплитуду световой волны
принадлежит Ньютону, для этого он направлял пучок света на плоскую
стеклянную пластину так, как показано на рис. 71. Часть света отражалась
первой поверхностью, другая часть проходила внутрь пластины и отражалась
от ее второй поверхности. Оба отраженных пучка оказывались когерентными,
поэтому, накладываясь друг на друга, они интерферировали. Интерференцию
такого типа обычно называют интерференцией Ньютона.
Рис. 70 К пояснению интерференции двух волн: SI.
S2 - источники света
Рис. 71. К опыту Ньютона
Рис. 72. Устройства для деления амплитуды волн:
а - полупрозрачное зеркало; б - призма-куб; в - призма Кестерса
В современных интерферометрах для деления амплитуды световой волны
применяют обычно полупрозрачные зеркала, светоделительные, или
поляризационные призмы (рис. 72). Интерференцию, полученную путем
деления волны по фронту, называют интерференцией Френеля. Суть ее
нагляднее всего демонстрирует опыт Юнга, который проводился по схеме,
изображенной на рис. 73. На непрозрачный экран, в котором прорезаны щели
S1 и S2, падает сферическая волна. Проходя через щели, свет дифрагирует.
В результате пучки расширяются и частично перекрывают друг друга,
создавая интерференционную картину.
Оба типа интерференции играют важную роль в интерферометрии.
Интерференция Ньютона, например, легла в основу интерферометров Физо,
Майкельсона, Фа-бри-Перо, а в интерферометре Релея и звездном
интерферометре Майкельсона используется интерференция Френеля.