Волновые свойства света: интерференция и дифракция

Сложение световых волн

Свет является электромагнитной волной, поэтому его поля складываются. Для обычных независимых источников фазы быстро и случайно меняются, и устойчивая картина не возникает. Когерентные волны имеют одинаковую частоту и постоянную разность фаз; их получают делением волны одного источника.

Интерференция — устойчивое перераспределение интенсивности при наложении когерентных волн. В одних точках колебания усиливаются, в других ослабляются. Для волн, пришедших в одинаковой фазе, максимум определяется разностью хода:

Для минимума $\Delta =(m+1/2)\lambda$. Тонкие плёнки, просветление оптики и радужные цвета мыльного пузыря связаны с интерференцией отражений от двух поверхностей.

Одна падающая волна освещает две щели, вторичные волны накладываются и создают чередование максимумов и минимумов интенсивности на экране.

Опыт с двумя щелями

Две близкие щели, освещённые одной волной, становятся когерентными источниками. На далёком экране появляются чередующиеся светлые и тёмные полосы. При расстоянии $a$ между щелями и расстоянии $L$ до экрана шаг полос приблизительно равен:

Картина доказывает волновую природу света и позволяет измерять длину волны. Увеличение $\lambda$ или $L$ раздвигает полосы, увеличение расстояния между щелями сближает их.

Дифракция

Дифракция — отклонение волны от геометрического распространения при прохождении около препятствий и через отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Она ограничивает резкость любой оптической системы: даже идеальная линза не может собрать точечный источник в математическую точку.

Для щели ширины $a$ при нормальном падении света минимумы наблюдаются при $a\sin \theta =m\lambda$, где $m=\pm 1,\pm 2,\dots$; значение $m=0$ соответствует центральному максимуму, а не минимуму. Дифракционная решётка с периодом $d$ создаёт узкие максимумы:

Разные длины волн отклоняются под разными углами, поэтому решётка разлагает свет в спектр. Чем больше освещённых штрихов, тем уже максимумы и выше способность различать близкие длины волн.

Поляризация

В электромагнитной волне вектор электрического поля колеблется поперёк направления распространения. Поляризатор выделяет одно направление этих колебаний. Для линейно поляризованного света после анализатора действует закон Малюса:

Поляризация подтверждает поперечность света. Её используют в дисплеях, фотографии и анализе напряжений в прозрачных материалах. Интерференция, дифракция и поляризация дополняют геометрическую оптику: лучевая модель работает, пока волновые размеры несущественны.