Interferensmønstre er lyse eller mørke bånd, der er forårsaget af stråler, der er i fase eller ude af fase med hinanden. Når de overlejres, lægges lys og lignende bølger sammen, hvis deres faser falder sammen (både i retning af stigning og fald), eller de kompenserer hinanden, hvis de er i modfase. Disse fænomener kaldes henholdsvis konstruktiv og destruktiv interferens. Hvis en stråle af monokromatisk stråling, som alle har samme bølgelængde, passerer gennem to smalle sp alter (eksperimentet blev første gang udført i 1801 af Thomas Young, en engelsk videnskabsmand, som takket være ham kom til konklusionen om bølgenaturen af lys), kan de to resulterende stråler rettes mod en fladskærm, hvorpå der i stedet for to overlappende pletter dannes interferenskanter - et mønster af jævnt vekslende lyse og mørke områder. Dette fænomen bruges f.eks. i alle optiske interferometre.
Superposition
Den definerende karakteristik af alle bølger er superposition, som beskriver opførselen af overlejrede bølger. Dens princip er, at når man er i rummetHvis mere end to bølger er overlejret, så er den resulterende forstyrrelse lig med den algebraiske sum af de individuelle forstyrrelser. Nogle gange overtrædes denne regel for store forstyrrelser. Denne simple adfærd fører til en række effekter kaldet interferensfænomener.
Fænomenet interferens er karakteriseret ved to ekstreme tilfælde. I de konstruktive maksima falder de to bølger sammen, og de er i fase med hinanden. Resultatet af deres overlejring er en stigning i den forstyrrende effekt. Amplituden af den resulterende blandede bølge er lig med summen af de individuelle amplituder. Og omvendt, i destruktiv interferens falder maksimum af en bølge sammen med minimum af den anden - de er i modfase. Amplituden af den kombinerede bølge er lig med forskellen mellem amplituderne af dens komponentdele. I det tilfælde, hvor de er ens, er den destruktive interferens fuldstændig, og den totale forstyrrelse af mediet er nul.
Jungs eksperiment
Interferensmønsteret fra to kilder indikerer tydeligt tilstedeværelsen af overlappende bølger. Thomas Jung foreslog, at lys er en bølge, der adlyder princippet om superposition. Hans berømte eksperimentelle præstation var demonstrationen af konstruktiv og destruktiv interferens af lys i 1801. Den moderne version af Youngs eksperiment adskiller sig i det væsentlige kun ved, at den bruger sammenhængende lyskilder. Laseren oplyser ensartet to parallelle sp alter i en uigennemsigtig overflade. Lys, der passerer gennem dem, observeres på en fjernskærm. Når bredden mellem slidserne er meget større endbølgelængde, reglerne for geometrisk optik overholdes - to oplyste områder er synlige på skærmen. Men når sp alterne nærmer sig hinanden, diffrakterer lyset, og bølgerne på skærmen overlapper hinanden. Diffraktion i sig selv er en konsekvens af lysets bølgenatur og er endnu et eksempel på denne effekt.
Interferensmønster
Princippet for superposition bestemmer den resulterende intensitetsfordeling på den oplyste skærm. Et interferensmønster opstår, når vejforskellen fra sp alten til skærmen er lig med et heltal af bølgelængder (0, λ, 2λ, …). Denne forskel sikrer, at højderne ankommer på samme tid. Destruktiv interferens opstår, når vejforskellen er et heltal af bølgelængder forskudt med det halve (λ/2, 3λ/2, …). Jung brugte geometriske argumenter til at vise, at superposition resulterer i en række jævnt fordelte frynser eller pletter med høj intensitet svarende til områder med konstruktiv interferens adskilt af mørke pletter af total destruktiv interferens.
Afstand mellem huller
En vigtig parameter for dobbeltsp altegeometrien er forholdet mellem lysbølgelængden λ og afstanden mellem hullerne d. Hvis λ/d er meget mindre end 1, så vil afstanden mellem frynserne være lille, og der vil ikke blive observeret nogen overlapningseffekter. Ved at bruge tætsiddende slidser var Jung i stand til at adskille de mørke og lyse områder. Således bestemte han bølgelængderne af farverne i synligt lys. Deres ekstremt lille størrelse forklarer, hvorfor disse effekter kun observeresunder visse betingelser. For at adskille områder med konstruktiv og destruktiv interferens skal afstandene mellem lysbølgekilderne være meget små.
Bølgelængde
At observere interferenseffekter er udfordrende af to andre grunde. De fleste lyskilder udsender et kontinuerligt spektrum af bølgelængder, hvilket resulterer i flere interferensmønstre overlejret på hinanden, hver med sin egen afstand mellem frynser. Dette annullerer de mest udt alte effekter, såsom områder med tot alt mørke.
Coherence
For at interferens kan observeres over en længere periode, skal der anvendes sammenhængende lyskilder. Det betyder, at strålingskilderne skal opretholde et konstant faseforhold. For eksempel har to harmoniske bølger af samme frekvens altid et fast faseforhold ved hvert punkt i rummet - enten i fase eller i modfase eller i en eller anden mellemtilstand. De fleste lyskilder udsender dog ikke ægte harmoniske bølger. I stedet udsender de lys, hvor tilfældige faseændringer forekommer millioner af gange i sekundet. Sådan stråling kaldes inkohærent.
Den ideelle kilde er en laser
Interferens observeres stadig, når bølger af to usammenhængende kilder er overlejret i rummet, men interferensmønstrene ændrer sig tilfældigt sammen med et tilfældigt faseskift. Lyssensorer, inklusive øjne, kan ikke registrere hurtigtskiftende billede, men kun den tidsgennemsnitlige intensitet. Laserstrålen er næsten monokromatisk (dvs. består af én bølgelængde) og meget kohærent. Det er en ideel lyskilde til at observere interferenseffekter.
Frekvensregistrering
Efter 1802 kunne Jungs målte bølgelængder af synligt lys være relateret til den utilstrækkeligt præcise lyshastighed, der var tilgængelig på det tidspunkt til at tilnærme dets frekvens. For grønt lys er det for eksempel omkring 6×1014 Hz. Dette er mange størrelsesordener højere end frekvensen af mekaniske vibrationer. Til sammenligning kan et menneske høre lyd med frekvenser op til 2×104 Hz. Hvad der præcist svingede med en sådan hastighed, forblev et mysterium i de næste 60 år.
Interferens i tynde film
De observerede effekter er ikke begrænset til den dobbeltsp altegeometri, der blev brugt af Thomas Young. Når stråler reflekteres og brydes fra to overflader adskilt af en afstand, der kan sammenlignes med bølgelængden, opstår der interferens i tynde film. Filmens rolle mellem overfladerne kan spilles af vakuum, luft, gennemsigtige væsker eller faste stoffer. I synligt lys er interferenseffekter begrænset til dimensioner af størrelsesordenen nogle få mikrometer. Et velkendt eksempel på en film er en sæbeboble. Lyset, der reflekteres fra det, er en superposition af to bølger - den ene reflekteres fra forsiden og den anden - fra bagsiden. De overlapper hinanden i rummet og stables med hinanden. Afhængig af sæbens tykkelsefilm, kan to bølger interagere konstruktivt eller destruktivt. En fuldstændig beregning af interferensmønsteret viser, at for lys med én bølgelængde λ observeres konstruktiv interferens for en filmtykkelse på λ/4, 3λ/4, 5λ/4 osv., og destruktiv interferens observeres for λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formler til beregning
Fænomenet interferens har mange anvendelser, så det er vigtigt at forstå de grundlæggende ligninger, der er involveret. Følgende formler giver dig mulighed for at beregne forskellige mængder forbundet med interferens for de to mest almindelige interferenstilfælde.
Placeringen af lyse rander i Youngs eksperiment, dvs. områder med konstruktiv interferens, kan beregnes ved hjælp af udtrykket: ybright.=(λL/d)m, hvor λ er bølgelængden; m=1, 2, 3, …; d er afstanden mellem slidser; L er afstanden til målet.
Placeringen af mørke bånd, dvs. områder med destruktiv interaktion, bestemmes af formlen: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
For en anden type interferens - i tynde film - bestemmer tilstedeværelsen af en konstruktiv eller destruktiv superposition faseforskydningen af de reflekterede bølger, som afhænger af filmens tykkelse og dens brydningsindeks. Den første ligning beskriver tilfældet med fraværet af et sådant skift, og den anden beskriver et halvbølgelængdeskift:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Her er λ bølgelængden; m=1, 2, 3, …; t er vejen tilbage i filmen; n er brydningsindekset.
Observation i naturen
Når solen skinner på en sæbeboble, kan klare farvede bånd ses, da forskellige bølgelængder er udsat for destruktiv interferens og fjernes fra reflektionen. Det resterende reflekterede lys fremstår som komplementært til fjerne farver. For eksempel, hvis der ikke er nogen rød komponent som følge af destruktiv interferens, vil reflektionen være blå. Tynde film af olie på vand giver en lignende effekt. I naturen virker fjerene på nogle fugle, herunder påfugle og kolibrier, og skallerne på nogle biller iriserende, men skifter farve, efterhånden som synsvinklen ændres. Optikkens fysik her er interferensen af reflekterede lysbølger fra tynde lagstrukturer eller arrays af reflekterende stænger. På samme måde har perler og skaller en iris, takket være overlejringen af refleksioner fra flere lag af perlemor. Ædelstene såsom opal udviser smukke interferensmønstre på grund af spredningen af lys fra regelmæssige mønstre dannet af mikroskopiske sfæriske partikler.
Application
Der er mange teknologiske anvendelser af lysinterferensfænomener i hverdagen. Kameraoptikkens fysik er baseret på dem. Den sædvanlige anti-reflekterende belægning af linser er en tynd film. Dens tykkelse og brydning er valgt til at producere destruktiv interferens af reflekteret synligt lys. Mere specialiserede belægninger bestående afflere lag af tynde film er designet til kun at transmittere stråling i et snævert bølgelængdeområde og bruges derfor som lysfiltre. Flerlagsbelægninger bruges også til at øge reflektiviteten af astronomiske teleskopspejle såvel som laseroptiske hulrum. Interferometri - præcise målemetoder, der bruges til at detektere små ændringer i relative afstande - er baseret på observation af skift i mørke og lyse bånd skabt af reflekteret lys. For eksempel giver måling af, hvordan interferensmønsteret vil ændre sig, dig til at bestemme krumningen af overfladerne af optiske komponenter i brøkdele af den optiske bølgelængde.
