Хвильова оптика. Когерентні і некогерентні джерела. Інтерференція, дифракція світла та їх застосування. Голографія.

Хвильова оптика вивчає сукупність явищ, у яких виявляється хвильова природа світла (інтерференція, дифракція, дисперсія, поляризація).

Джерела, які випромінюють хвилі однакової частоти із сталою рі­зницею фаз, називаються когерентними. Від них можна одержати стабільну, достатню для спостереження, інтерференцію хвиль.

Природні джерела світла некогерентні. Кожне з них складається з величезної кількості незалежних елементарних випромінювачів, якими є атоми і молекули. Атоми і молекули в дуже нагрітих тілах збуджують­ся за рахунок енергії теплового руху. Збуджені атоми і молекули ви­промінюють надлишок енергії у вигляді світла. Тривалість світіння атома або молекули . Такою короткочасною в будь-якій точці буде інтерференція світла. Далі випромінювач може послати хвилю іншої частоти або в іншій фазі.

Для одержання когерентних хвиль світла вдаються до штучних способів, а саме: від одного джерела світла хвилю роздвоюють і спря­мовують по двох різних шляхах, після чого, досягаючи одних і тих самих точок, вони інтерферують. Для роздвоєння світлової хвилі ши­роко використовуються явища відбивання і заломлення світла.

огерентні світлові хвилі добувають, поділяючи за допомогою якого-небудь пристрою хвилю, що йде від одного джерела світла, на дві. Якщо ці хвилі пройдуть різні шляхи, а потім знову будуть зведені і накладені одна на одну, то вони прийдуть у точку зустрічі з якоюсь певною різницею фаз . Ця різниця фаз пов'язана з різницею ходу двох інтерферуючих променів наступ­ною формулою: , де λ- довжина світлової хвилі.

Сформулюємо умову виникнення інтерференційно­го максимуму: якщо різниця ходу ∆ двох когерентних хвиль, що прийшли в точку спостереження, дорівнює парному числу напівхвиль або цілому числу довжин хвиль, амплітуда світлових коливань буде максимальною:

(k=0,1,2,…), k - порядок максимуму; λ – довжина хвилі.

Умова виникнення інтерференційного мінімуму: ін­терференційний мінімум в деякій точці простору вини­кає тоді, коли різниця ходу ∆ двох когерентних хвиль, що прийшли в дану точку, дорівнює непарному числу напівхвиль: .

Інтерференцією називають накладання когерентних хвиль, при якому вони стабільно підсилюються або ослаблюються. Когерентні хвилі — це хвилі однакової частоти, стабільної різниці фаз (в точці накладання) та однакового напряму коливань відповідних векторів.

Інтерференція світла є наслідком прояву його хвильових власти­востей. Світло — це електромагнітні хвилі дуже короткої довжини. В електромагнітній хвилі в двох взаємно перпендикулярних напрямах періодично змінюються вектор напруженості електричного поля і вектор напруженості магнітного поля. Проте дія світла на речовину визначається переважно впливом його електричного поля. Пояс­нюється це тим, що атоми і молекули речовини складаються з елект­рично заряджених ядер, іонів і електронів; останні зазнають зміщень внаслідок дії електричного поля світлової хвилі. Магнітне поле світ­лової хвилі може істотно проявлятися лише тоді, коли атом або молекула мають значний магнітний момент. Вектор напруженості електричного поля хвилі називають світловим вектором.

Застосування. Явище інтерференції в тонких плівках використовується в ряді приладів як чуттєвіший метод, дозволяючий судити про нікчемні зміни товщини якої-небудь повітряного прошарку. Інтерференційні явища використовуються для дуже точного визначення кутів. Інтерферометри – прилади, в яких явище інтерференції використовується для визначення довжини світлової хвилі, показника заломлення речовини, точних вимірювань довжини, для контролю якості обробки поверхні тощо (Інтерферометри:1) Майкельсона,2) Лінника.).

Дифракція - огинання хвилями перешкод - влас­тива будь-якому хвильовому руху, отже, вона власти­ва й світлу. Дифракція світла - це явище непрямолінійного поширення світла, огинання ним перешкод і за­ходу хвиль за "межу тіні". Явище дифракції вказує на порушення законів геометричної оптики.

Принцип Гюйгенса – Френеля. Явище дифракції можна пояснити за допомогою методу, запропоно­ваного Френелем {принцип Гюйгенса - Френеля).

Згідно з принципом Гюйгенса, кожну точку фронту хвилі можна розглядати як самостійне джерело коли­вань (джерело вторинних хвиль). Френель доповнив цей принцип, висловивши припущення, що усі джерела вторинних хвиль когерентні і тому можуть інтерферувати в будь-якій точці простору, внаслідок чого еле­ментарні вторинні хвилі можуть гасити або підсилю­вати одна одну. Отже, за принципом Гюйгенса – Френеля, дифракція виникає внаслідок інтерференції вто­ринних хвиль.

На мал. наведені дифракційні картини, які О. Френель дістав, вивча­ючи дифракцію світла: а) від дротини; б) від кру­глого непрозорого диска; в) від круглого отвору.

Дифракційна решітка. Для спостереження чітких дифракційних картин застосовують дифракційні решітки. Дифракційна решітна - це сукупність великої кількості вузьких щілин, роз­ділених вузькими непрозорими проміжками шириною b. Якщо ширина прозорих щілин а, ширина непрозорих проміжків b, то величина d=a+b називається сталою решітки або її періодом.

Період решітки d пов'язаний з числом штрихів N₀, нанесених на одиницю довжини решітки формулою: d=1/N₀.

Звичайна дифракційна решітка - це добре відполі­роване скло, на якому алмазом нанесені тонкі штрихи. Світло проходить між штрихами і не проходить крізь штрихи. У решіток високої якості кількість штрихів до­сягає кількох тисяч на 1 мм.

За допомогою дифракційної решітки можна дуже точно визначити довжину світлової хвилі.

Метод реєстрації фази і її відновлення називається голографією. В переводі з грецького «голографія» означає «повний запис», тобто в назві підчеркнута можливість реєстрації вичерпних відомостей про хвильове поле на поверхності приймача світла. Фотопластинка, на якій зафіксована інтерференційна картина (в вигляді почорнінь), називається голограмою.