§ 124. Опытное осуществление интерференции света

Описанные в § 66 явления цветов тонких пленок представляют собой один из наиболее распространенных и легко наблюдаемых случаев интерференции света. Однако условия возникновения интерференционной картины в этом случае значительно отличаются от условий, при которых наблюдается интерференция волн на поверхности воды (см. §44). В случае волн на поверхности воды мы имели два источника волн (два острия), в случае же интерференции в тонких пленках налицо был только один источник света. Возникают вопросы, откуда в этом случае берутся две взаимодействующие волны, а также можно ли осуществить интерференцию света, заставляя взаимодействовать световые волны, посылаемые двумя различными источниками, например двумя лампочками накаливания или двумя участками раскаленного тела. Ответ па последний вопрос дает повседневный опыт. Мы хорошо знаем, что при освещении одного и того же участка светом различных источников интерференционные явления не наблюдаются. Если в комнате горят две лампочки, то во всей освещенной области свет одного источника усиливает освещение, даваемое другим, добавление второго источника не ведет к образованию максимумов и минимумов освещенности.

Причина этого лежит в том, что для получения устойчивой интерференционной картины, необходимо, как указывалось в § 44, обеспечить когерентность, или согласование, двух систем волн. Источники должны испускать когерентные волны, т. е. волны, обладающие одним периодом и неизменной разностью фаз на протяжении времени, достаточного для наблюдения. Все наши способы наблюдения (глаз, фотопластинка и т. д.) требуют сравнительно длительных промежутков времени, измеряемых тысячными и более долями секунды. В независимых же источниках свет испускают различные атомы, условия, излучения которых быстро и беспорядочно меняются. В настоящее время мы имеем ряд данных, которые позволяют считать, что такие изменения происходят в лучшем случае примерно через , а обычно гораздо быстрее. Таким образом, интерференционная картина, получаемая от независимых источников, сохраняется неизменной очень короткое время, а затем сменяется другой, с иным расположением максимумов и минимумов. Так как время, необходимое для наблюдения, измеряется, как сказано, тысячными и более долями секунды, то за это время интерференционные картины успеют смениться миллионы раз. Мы наблюдаем результат наложения этих картин. Понятно, что такое наложение размывает картину, не оставляя никаких следов интерференционных максимумов и минимумов. Таким образом, становится понятным, почему при наблюдении действия двух независимых некогерентных источников света мы не обнаруживаем интерференции. Однако от двух разных лазерных источников света явления интерференции могут наблюдаться.

Для наблюдения интерференции приходится прибегать к искусственному приему. Этот прием состоит в том, что заставляют интерферировать части одной и той ж е волны, идущие от единственного источника и достигающие точки наблюдения по разным путям, благодаря чему между ними возникает некоторая разность хода. Когерентность обеспечивается тем, что обе интерферирующие волны одновременно испускаются одним источником. В опытах с тонкими пленками волна, идущая от источника, расщепляется на две путем отражения от передней и задней поверхностей пленки.

Той же цели можно достигнуть и другими приспособлениями, например при помощи так называемой бипризмы (рис. 263, а), где для раздвоения волны использовано преломление. Здесь дело происходит так, как если бы два когерентных источника были расположены в точках  и .

Рис. 263. Наблюдение интерференции света с помощью бипризмы Френеля: а) схема опита (вид сверху); б) интерференционная картина

В действительности же имеется единственный реальный источник . Этот источник представляет собой узкую освещенную щель, параллельную ребру бипризмы. Волна, идущая от источника , раздваивается путем преломления в двух половинах бипризмы и доходит до точек экрана по двум различным путям, т, е. с определенной разностью хода. На экране будет наблюдаться система чередующихся светлых и темных полос, параллельных ребру бипризмы (рис. 263, б). Полосы располагаются в той части экрана, где происходит перекрывание световых пучков, идущих от двух половинок бипризмы (заштрихованная область на рис. 263, а).

Разность хода между обоими интерферирующими лучами ограничена по следующим соображениям. Атом в каждый акт излучения испускает систему волн (волновой цуг), которая распространяется во времени и пространстве, сохраняя синусоидальность (см. § 5). Однако длительность цуга ограничена затуханием колебаний электрона в самом атоме и столкновениями этого атома с другими атомами. Длина цуга, или, как ее называют, длина когерентности такого цуга, в самых благоприятных условиях излучения достигает около , а временная длительность его не больше . Необходимое условие интерференции заключается в том, чтобы разность хода (разность оптических путей, т. е. произведения показателей преломления на геометрические длины путей) обоих лучен была не больше длины когерентности порождающего их волнового цуга. Рис. 264 иллюстрирует это условие.

Рис. 264. К интерференции двух цугов световых волн: а) разность хода обоих цугов волн больше длины когерентности — интерференции нет; б) разность хода равна нулю — интерференция есть; в) на пути одного из цугов помещена стеклянная пластинка , разность хода обоих цугов больше длины когерентности — интерференции нет

Идеальным источником света служит квантовый генератор (лазер), который по своей физической природе, как источник вынужденного излучения, является когерентным (см. § 202). Длина когерентности лазерного цуга простирается на тысячи километров, а длительность цуга достигает сотых долей секунды. Благодаря квантовому генератору удалось создать новую область оптики — когерентную оптику, имеющую огромные теоретические и технические достижения и необозримые перспективы.

Если источник света в опыте с бипризмой (опыт Френеля) испускает белый свет, то мы увидим цветную интерференционную картину, как это имеет место и при наблюдении интерференции в тонких пленках. Если же источник посылает одноцветный, т. е. монохроматический, свет (например, свет от дугового разряда в газе, прошедший сквозь соответствующий светофильтр), то интерференционная картина состоит из чередующихся светлых и темных полос. Положение этих полос зависит от цвета, так что места, соответствующие минимуму в одном цвете, могут оказаться местами максимума для другого цвета. Это означает, что расстояние от источников  и  до рассматриваемого места экрана выражается четным числом полуволн одного цвета и нечетным числом полуволн другого цвета. Иными словами, длины световых волн различного цвета различны. Таким образом, свет различного цвета физически характеризуется различием в длинах волн.

Так как положение интерференционных полос зависит от длины волны, то с помощью опыта Френеля можно определить длину световой волны, произведя соответствующие измерения. Подобные измерения показали, например, что пламя, окрашенное парами: натрия (желтый цвет), испускает свет двух длин волн —  и . Измерения показывают, что длина волны уменьшается при переходе от красного света к фиолетовому в порядке расположения цветов в радуге.

Известно, что оценка цвета, даваемая глазом, довольно неопределенна, так что под названием красного или желтого цвета, например, мы понимаем довольно разнообразные оттенки. Поэтому указание длины волны для каждого такого цвета имеет ориентировочный характер. Фиолетовый цвет соответствует длинам волн от  до , синий — от  до , голубой — от  до , зеленый — от  до , желтый— от  до , оранжевый — от  до , красный — от  до . Таким образом, указание цвета характеризует свет приближенно. Наоборот, длина волны является точной количественной характеристикой цвета, которой и пользуются во всех научных измерениях.