Получение когерентных волн в оптике.

Наличие интерференции световых волн не находит подтверждения в бытовом повседневном опыте человека: действительно, если взять два обычных источника света и просто направить их свет на общий экран, вместо интерференционной картины мы получим простое сложение интенсивностей (освещенностей) от этих источников. Получающееся противоречие между теорией и опытом на самом деле является кажущимся. Дело в том, что устойчивая интерференционная картина может быть получена только от когерентных источников, коими обычные источники света не являются. Повторимся, что два источника являются когерентными, если между ними существует одна и та же разность фаз. Ввиду очень высокой частоты, очень малой длины волны оптического излучения и независимости отдельных излучателей (атомов) выполнить это условие крайне трудно. У обычных источников света фаза меняется хаотически с очень большой скоростью, что в свою очередь вызывает столь же быстрое изменение интерференционной картины, что обусловлено их немонохроматичностью.

Таким образом, некогерентные источники дают быстроизменяющуюся ИК, которая усредняется глазом в сложение интенсивностей.

Единственная возможность получить устойчивую ИК от двух независимых источников света связана с использованием лазерного излучения, обладающего высокой монохроматичностью. Независимость актов излучения отдельных атомов делает задачу наблюдения интерференции от нелазкрных источников весьма трудоемкой и сложной.

Принцип построения схем оптических интерферометров.

Свет, излучаемый естественными источниками, является некогерентным, поскольку он беспорядочно излучается различными атомами, между которыми нет никакой согласованности. В таком случае интерференцию наблюдать нельзя. Как же тогда можно наблюдать интерференцию, если есть только естественные источники? Общий принцип может быть, в этом случае, сформулирован так: поскольку каждая волна, испущенная отдельным атомом, сама с собой когерентна, т.к. представляет собой кусок синусоидальной волны, можно добиваться, чтобы волны от каждого атома накладывались сами на себя. В этом случае возможно наблюдение их интерференции.

Таким образом, необходимо световые волны, идущие от одного источника, вначале при помощи специальной оптической схемы разделить на две (или на большее число волн), и потом свести их в какой-то точке пространства, где они будут когерентны между собой и можно будет провести регистрацию интенсивности. На практике для этих целей создают особые оптические устройства, называемые интерферометрами. Разберем схемы некоторых из них ниже.

Примеры схем оптических интерферометров.

СХЕМА ФРЕНЕЛЯ С ДВУМЯ ЗЕРКАЛАМИ.
Начнем рассмотрение схем интерферометров с установки, основанной на так называемом "зеркале Френеля". Разберем ее подробно. Два зеркала (см. рисунок ниже) M1 и M2 установлены друг к другу под углом (180 - a) близким к 180 градусам. Линия пересечения зеркал перпендикулярна к плоскости рисунка и проходит через точку O. Для освещения зеркал возьмем очень маленький монохроматический источник. Будем считать что эта светящаяся точка L располагается в плоскости рисунка и является источником сферических волн. Волны падают на зеркала и, отражаясь от них, меняют направление распространения. Отраженные волны можно рассматривать как волны идущие от двух так называемых "мнимых" источников L₁ и L₂, которые расположены, как показано на рисунке, за зеркалами M1 и M2 соответственно.

Эти волны частично перекрываются в пространстве. Поскольку мнимые источники когерентны, в области перекрытия волн возникает интерференция. Вблизи плоскости рисунка пересекающиеся сферические волновые фронты можно считать плоскостями. Поэтому интерференционная картина в плоскости наблюдения P имеет вид полос, расположенных перпендикулярно плоскости чертежа.

Из геометрических построений, сделанных на рисунке следует, что точки L, L₁ и L₂ лежат на одной окружности с центром в точке O и радиусом равным длине отрезка OL, а угол L₁ O L₂ равен 2 a.

Получим необходимые для расчетов формулы. Обозначим длину отрезка OL = r. Введем систему координат XY (см. рисунок ниже), в которой источники света L₁ и L₂ будут располагаться на оси 0Y на одинаковом расстоянии y_o от начала координат, а ось 0X будет проходить через точку пересечения зеркал O. Считая величину угла a достаточно малой, расстояние от точки O до оси 0Y будем считать равным r. Пусть s - расстояние от точки O до точки P_o пересечения оси 0X с плоскостью наблюдения интерференции P. В зоне перекрытия волн на плоскости P возьмем точку P₁ на расстоянии y от оси 0X.

: