Häire mustrid. Maksimaalsed ja miinimumtingimused

Häire mustrid on kerge või tume ribad, mis on põhjustatud teineteisega faasis või faasis olevate kiirte vahel. Pealekandmisel lisatakse kergeid ja sarnaseid laineid, kui nende faasid langevad (kas suurendamise või vähendamise suunas) või kompenseerivad üksteist, kui nad on antifaasilises asendis. Neid nähtusi nimetatakse vastavalt konstruktiivseks ja hävitavaks sekkumiseks. Kui monokromaatilise kiirguse kiirus kõik sama pikkusega lained läbib kahte kitsat pilu (eksperiment tehti esmakordselt 1801. aastal Thomas Youngi, inglise teadlase poolt, kes tänu teda jõudis järeldusele valguse laine iseloomu kohta), võib kaks tulemuseks olevat kiirgust suunata Lamedal ekraanil, kus kahe kattuva laiguga asemel tekkisid interferentsribad - ühtlaselt vahelduvate kergete ja tumedate alade muster. Seda nähtust kasutatakse näiteks kõigis optilistes interferomeetrites.

Superpositsioon

Kõigi lainete määratlemine on superpositsioon, mis kirjeldab koormatud lainete käitumist. Selle põhimõtteks on see, et kui kosmosesse on paigutatud rohkem kui kaks laine, on tekkinud häiring võrdne üksikute häirete algebralise summaga. Mõnikord rikutakse seda reeglit suurte häirete korral. Selline lihtne käitumine toob kaasa mitmeid efekte, mida nimetatakse häirete nähtuseks.

Häire nähtust iseloomustavad kaks äärmuslikku juhtumit. Kahe laine konstruktiivses maksimumis langeb kokku ja nad on üksteisega faasis. Nende superpositsioonide tulemus on häiriva mõju amplifitseerimine. Saadud segavalli amplituud on võrdne üksikute amplituudide summaga. Ja vastupidi, hävitavate häirete korral langeb maksimaalne laine kokku minimaalse teisega - nad on antifaasis. Kombineeritud laine amplituud on võrdne koostisosade amplituudide vahega. Juhul, kui need on võrdsed, hävitav sekkumine on lõpule jõudnud ja keskmise häirete koguarv on null.

Noorte eksperiment

Mõlema allika interferentsimustrid viitavad ühemõtteliselt kattuvate lainete olemasolule. Thomas Jung väitis, et valgus on laine, mis järgib superpositsiooni põhimõtet. Tema tuntud eksperimentaalne saavutus oli konstruktsiooni ja hävitavate häiringute tutvustamine valguse tekkele 1801. aastal. Jungi eksperiment tänapäevane versioon erineb ainult sellest, et ta kasutab sidusaid valgusallikaid. Laser ühtlaselt süttib kaks läbipaistmatut pinda paralleelselt. Läbivat valgust vaadeldakse kaugekraanil. Kui pilude laius on lainepikkusest palju pikem, järgitakse geomeetrilise optika reegleid - ekraanil on kaks valgustatud piirkonda. Siiski, kui lõhe läheneb, siis diferentseerib valgus ja ekraani lained kattuvad. Diffraction ise on valguse laine iseloomu tagajärg ja see näide sellest mõjust.

Interferentsi muster

Kompositsioonipõhimõte määrab valgustunud ekraanil saadud intensiivsuse jaotuse. Interferentsi muster tekib siis, kui tee erinevus pesast ekraanile on võrdne lainepikkuste (0, λ, 2λ, ...) täisarvuga. See erinevus tagab, et tõusud tulevad samal ajal. Destruktiivsed häired tekivad, kui tee erinevus võrdub poole võrra (λ / 2, 3λ / 2, ...) lainepikkuste arvu täisarvuga. Jung kasutas geomeetrilisi argumente, et näidata, et superpositsioon toob kaasa seeria võrdväärseid linde või suure intensiivsusega alasid, mis vastavad konstruktiivse interferentsi valdkondadele, mis on eraldatud täiesti hävitavate tumedate aladega.

Aukude vahekaugus

Kahe pilu geomeetria oluline parameeter on valguslaine λ lainepikkuse suhe avauste d kaugusele. Kui λ / d on palju väiksem kui 1, siis on vahekaugus ribade vahel väike ja kattuvaid mõjusid ei järgita. Lähedal asuvate pilude kasutamisel suutis Jung lahutada pimedad ja kerged alad. Seega määras ta kindlaks nähtava valguse värvide lainepikkused. Nende äärmiselt väike väärtus selgitab, miks neid mõjusid täheldatakse ainult teatavatel tingimustel. Konstruktiivsete ja hävitavate häirete osade eraldamiseks peavad valguse lainete allikad olema väga väikesed.

Lainepikkus

Interferentsi mõju jälgimine on keeruline ülesanne kahel muul põhjusel. Enamik valgusallikaid väljastavad pideva lainepikkuste spektri, mille tulemusena moodustatakse mitu interferentsimustrit üksteisele, kusjuures igaühel on oma intervall lindide vahel. See kõrvaldab kõige tugevama mõju, näiteks täieliku pimeduse piirkonnad.

Sidusus

Pikema aja jooksul häirete jälgimiseks on vaja kasutada sidusaid valgusallikaid. See tähendab, et kiirgusallikad peavad säilitama konstantse faasi suhte. Näiteks kõigil sama sagedustel paiknevatel kahe harmoonilise lainega on alati igas faasis aset leidnud fikseeritud faasiline suhe - kas faasis või antifaasis või mõnes vahepealses olekus. Kuid enamik valgusallikaid ei kiirguta tõelisi harmoonilisi laineid. Selle asemel väljastavad nad valgus, mille juhuslikud faasimuutused tekivad miljoneid kordi sekundis. Sellist kiirgust nimetatakse ebakindliseks.

Ideaalne allikas on laser

Häireid täheldatakse ka siis, kui kosmosesse on paigutatud kaks ebakindlat allikat, kuid interferentsid muutuvad juhuslikult koos juhusliku faasi nihkega. Valguse andurid, sealhulgas silmad, ei suuda registreerida kiiresti muutuvat pilti, vaid ainult keskmise ajaga intensiivsust. Laserkiire on peaaegu monokromaatne (st see koosneb ühest lainepikkusest) ja väga sidus. See on ideaalne valgusallikas häirete mõju jälgimiseks.

Sageduse määramine

Pärast 1802. aastat võib Jungi poolt mõõdetud nähtava valguse lainepikkusi korreleerida ebapiisavalt täpse valguse kiirusega, mis on saadaval ajahetkel, et selle sagedus arvutada. Näiteks rohelises valguses on see umbes 6 × 10 ¹⁴ Hz. See on palju suurusjärgu võrra suurem kui mehaaniliste võnkumiste sagedus . Võrdluseks võib inimene kuulda heli sagedusega kuni 2 × 10 ⁴ Hz. See, mis täpselt kõikub sellise kiirusega, jäi järgmise 60 aasta müsteeriumiks.

Häirete õhukesed kiled

Täheldatud mõjud ei piirdu Thomas Youngi kasutatava kahekordse pilu geomeetriaga. Kui peegeldub ja põleb kahte pinda, mis on lahutatud lainepikkusega võrreldava kaugusega, tekib õhuke õhukese kihi vaheline interferents. Filmide osa pindade vahel võib mängida vaakumi, õhu, puhta vedeliku või tahkise kaudu. Nähtava valguse häirete mõju piirdub mõne mikromeetri suurusega. Filmi tuntud näide on seebi mull. Selle peegeldatav valgus on kahe laine superpositsioon - üks peegeldub esipinnalt ja teine - tagantpoolt. Nad on paigutatud ruumi ja virnastatud üksteisega. Sõltuvalt seebi kihi paksusest võivad kaks laine konstruktiivselt või hävitavalt suhelda. Interventsioonimustri täielik arvutus näitab, et ühe lainepikkusega valguse puhul on täheldatud konstruktiivset interferentsi paksusega λ / 4, 3λ / 4, 5λ / 4 jne korral ning destruktiivne λ / 2, λ, 3λ / 2, ...

Valemid arvutamiseks

Häire nähtus on leitud palju rakendusi, mistõttu on oluline mõista selle suhtes kohaldatavaid põhivõrrandeid. Järgmised valemid võimaldavad meil arvutada kahe kõige sagedasema juhtumi puhul häiretega seotud erinevad kogused.

Noorte eksperimendi eredate ansamblite , st konstruktsiooniliste häiringutega piirkondi, saab arvutada, kasutades väljendit: y _kerge. = (ΛL / d) m, kus λ on lainepikkus; M = 1, 2, 3, ...; D on pilude vaheline kaugus; L on kaugus sihtmärgini.

Pimedate ribade asukoht, see tähendab destruktiivse interaktsioonipiirkonna, määratakse valemiga: y _pimedas. = (ΛL / d) (m + 1/2).

Teiste häirete puhul - õhukestel kiletel - konstruktiivse või hävitavate kattekihtide olemasolu määrab peegeldunud lainete faasinihke, mis sõltub filmi paksusest ja selle murdumisnäitajast. Esimene võrrand kirjeldab juhtumit, kui sellist nihet pole, ja teine kirjeldab poolte lainepikkuste nihet:

2nt = mλ;

2nt = (m + 1/2) λ.

Siin λ on lainepikkus; M = 1, 2, 3, ...; T on film, mida läbib film; N on murdumisnäitaja.

Vaatlus looduses

Kui päike valgustab seebi mulli, näete eredaid värvilisi ribasid, sest erinevad lainepikkused on hävitava mõju all ja eemalduvad peegeldusest. Ülejäänud peegelduv tuli täiendab eemaldatud värve. Näiteks kui hävitavate häirete tagajärjel puudub punane komponent, siis peegeldus on sinine. Vedelate õlikihtidega tekib sarnane mõju. Mõnede lindude, sealhulgas paabulindude ja kolbampullide sulgede kujul ja mõnede mardikate kestad näevad roosat värvi, muutudes vaatenurka muutvat värvi. Optika füüsika koosneb siin peegeldavate varraste õhukesest kihilisest struktuurist või massiivist peegeldunud valguse lainete sekkumisest. Sarnaselt on pärlitel ja kestadel ka mõrk pärlmutteri peegelduste määramise tõttu. Vääriskivid nagu opaal näitavad ilusaid interferentsi mustreid valguse hajumise tõttu mikroskoopilistest sfäärilistest osakestest moodustunud regulaarstruktuuridest.

Taotlus

Valguse häirete nähtused on igapäevaelus palju tehnoloogilisi rakendusi. Kaameraoptika füüsika põhineb neil. Tavaline vastupidav läätsede kattekiht on õhuke kile. Selle paksus ja kiirte murdumine valitakse selliselt, et tekitaks peegeldatava nähtava valguse häirivat sekkumist. Spetsiifilisemad katted, mis koosnevad mitmest õhukeste kihtide kihist, on mõeldud kiirguse edastamiseks ainult kitsas lainepikkuse vahemikus ja seetõttu kasutatakse neid valguse filtrina. Mitmekihilist kattekihti kasutatakse ka astronoomiliste teleskoopide peeglite peegelduse suurendamiseks ning laserite optiliste resonaatorite jaoks. Interferomeetria - täpsed mõõtmismeetodid, mida kasutatakse suhteliste vahemaade väikeste muutuste registreerimiseks - põhineb peegeldunud valguse tekitatud pimedate ja kergete ribade muutuste jälgimisel. Näiteks interaktsioonimustri muutmise mõõtmine võimaldab kindlaks teha optilise komponendi pindade kumerust optilise lainepikkusega fraktsioonides.