Interferentiepatronen zijn lichte of donkere banden die worden veroorzaakt door bundels die in fase of uit fase zijn met elkaar. Wanneer ze worden gesuperponeerd, tellen licht en soortgelijke golven op als hun fasen samenvallen (zowel in de richting van toename als afname), of ze compenseren elkaar als ze in tegenfase zijn. Deze verschijnselen worden respectievelijk constructieve en destructieve interferentie genoemd. Als een bundel monochromatische straling, die allemaal dezelfde golflengte heeft, door twee smalle spleten gaat (het experiment werd voor het eerst uitgevoerd in 1801 door Thomas Young, een Engelse wetenschapper die dankzij hem tot de conclusie kwam over het golfkarakter van licht), kunnen de twee resulterende bundels op een plat scherm worden gericht, waarop in plaats van twee overlappende plekken interferentieranden worden gevormd - een patroon van gelijkmatig afwisselende lichte en donkere gebieden. Dit fenomeen wordt bijvoorbeeld in alle optische interferometers gebruikt.
Superpositie
Het bepalende kenmerk van alle golven is superpositie, die het gedrag van over elkaar liggende golven beschrijft. Het principe is dat wanneer in de ruimteAls er meer dan twee golven over elkaar heen liggen, is de resulterende verstoring gelijk aan de algebraïsche som van de individuele verstoringen. Soms wordt deze regel geschonden voor grote verstoringen. Dit eenvoudige gedrag leidt tot een reeks effecten die interferentieverschijnselen worden genoemd.
Het fenomeen interferentie wordt gekenmerkt door twee extreme gevallen. In de constructieve maxima van de twee golven vallen ze samen en zijn ze in fase met elkaar. Het resultaat van hun superpositie is een toename van het storende effect. De amplitude van de resulterende gemengde golf is gelijk aan de som van de individuele amplituden. En omgekeerd, bij destructieve interferentie v alt het maximum van één golf samen met het minimum van de tweede - ze zijn in tegenfase. De amplitude van de gecombineerde golf is gelijk aan het verschil tussen de amplituden van de samenstellende delen. In het geval dat ze gelijk zijn, is de destructieve interferentie compleet en is de totale verstoring van het medium nul.
Jung's experiment
Het interferentiepatroon van twee bronnen geeft duidelijk de aanwezigheid van overlappende golven aan. Thomas Jung suggereerde dat licht een golf is die gehoorzaamt aan het principe van superpositie. Zijn beroemde experimentele prestatie was de demonstratie van constructieve en destructieve interferentie van licht in 1801. De moderne versie van Young's experiment verschilt wezenlijk alleen doordat het coherente lichtbronnen gebruikt. De laser verlicht gelijkmatig twee parallelle spleten in een ondoorzichtig oppervlak. Licht dat er doorheen gaat, wordt waargenomen op een scherm op afstand. Wanneer de breedte tussen de sleuven veel groter is dangolflengte, worden de regels van geometrische optica in acht genomen - twee verlichte gebieden zijn zichtbaar op het scherm. Maar als de spleten elkaar naderen, breekt het licht en overlappen de golven op het scherm elkaar. Diffractie zelf is een gevolg van het golfkarakter van licht en is een ander voorbeeld van dit effect.
Interferentiepatroon
Het principe van superpositie bepa alt de resulterende intensiteitsverdeling op het verlichte scherm. Een interferentiepatroon treedt op wanneer het padverschil van de spleet naar het scherm gelijk is aan een geheel aantal golflengten (0, λ, 2λ, …). Dit verschil zorgt ervoor dat de hoogtepunten tegelijkertijd aankomen. Destructieve interferentie treedt op wanneer het padverschil een geheel aantal golflengten is dat met de helft is verschoven (λ/2, 3λ/2, …). Jung gebruikte geometrische argumenten om aan te tonen dat superpositie resulteert in een reeks gelijkmatig verdeelde randen of plekken met een hoge intensiteit die overeenkomen met gebieden met constructieve interferentie, gescheiden door donkere plekken van totale destructieve interferentie.
Afstand tussen gaten
Een belangrijke parameter van de geometrie met dubbele spleet is de verhouding van de lichtgolflengte λ tot de afstand tussen de gaten d. Als λ/d veel kleiner is dan 1, dan zal de afstand tussen de randen klein zijn en zullen er geen overlappende effecten worden waargenomen. Door dicht bij elkaar liggende spleten te gebruiken, was Jung in staat om de donkere en lichte delen van elkaar te scheiden. Zo bepaalde hij de golflengten van de kleuren van zichtbaar licht. Hun extreem kleine omvang verklaart waarom deze effecten alleen worden waargenomenonder bepaalde omstandigheden. Om gebieden met constructieve en destructieve interferentie te scheiden, moeten de afstanden tussen de bronnen van lichtgolven erg klein zijn.
Golflengte
Het waarnemen van interferentie-effecten is om twee andere redenen een uitdaging. De meeste lichtbronnen zenden een continu spectrum van golflengten uit, wat resulteert in meerdere over elkaar heen gelegde interferentiepatronen, elk met zijn eigen afstand tussen de randen. Dit heft de meest uitgesproken effecten op, zoals gebieden met totale duisternis.
Samenhang
Om interferentie over een langere periode te kunnen waarnemen, moeten coherente lichtbronnen worden gebruikt. Dit betekent dat de stralingsbronnen een constante faserelatie moeten behouden. Twee harmonische golven van dezelfde frequentie hebben bijvoorbeeld altijd een vaste faserelatie op elk punt in de ruimte - hetzij in fase, hetzij in tegenfase, of in een tussenliggende toestand. De meeste lichtbronnen zenden echter geen echte harmonische golven uit. In plaats daarvan zenden ze licht uit waarin willekeurige faseveranderingen miljoenen keren per seconde plaatsvinden. Dergelijke straling wordt onsamenhangend genoemd.
De ideale bron is een laser
Interferentie wordt nog steeds waargenomen wanneer golven van twee onsamenhangende bronnen in de ruimte worden gesuperponeerd, maar de interferentiepatronen veranderen willekeurig, samen met een willekeurige faseverschuiving. Lichtsensoren, inclusief ogen, kunnen niet snel registrerenveranderend beeld, maar alleen de tijdgemiddelde intensiteit. De laserstraal is bijna monochromatisch (d.w.z. bestaat uit één golflengte) en zeer coherent. Het is een ideale lichtbron voor het waarnemen van interferentie-effecten.
Frequentiedetectie
Na 1802 zouden Jungs gemeten golflengten van zichtbaar licht verband kunnen houden met de onvoldoende nauwkeurige lichtsnelheid die op dat moment beschikbaar was om de frequentie ervan te benaderen. Voor groen licht is het bijvoorbeeld ongeveer 6×1014 Hz. Dit is vele ordes van grootte hoger dan de frequentie van mechanische trillingen. Ter vergelijking: een mens kan geluid horen met frequenties tot 2×104 Hz. Wat er precies in zo'n tempo fluctueerde, bleef de komende 60 jaar een mysterie.
Interferentie in dunne films
De waargenomen effecten zijn niet beperkt tot de dubbele spleetgeometrie die door Thomas Young wordt gebruikt. Wanneer stralen worden gereflecteerd en gebroken van twee oppervlakken gescheiden door een afstand die vergelijkbaar is met de golflengte, treedt interferentie op in dunne films. De rol van de film tussen de oppervlakken kan worden gespeeld door vacuüm, lucht, transparante vloeistoffen of vaste stoffen. In zichtbaar licht zijn interferentie-effecten beperkt tot afmetingen in de orde van enkele micrometers. Een bekend voorbeeld van een film is een zeepbel. Het licht dat eruit wordt gereflecteerd, is een superpositie van twee golven - de ene wordt gereflecteerd vanaf het vooroppervlak en de tweede - vanaf de achterkant. Ze overlappen elkaar in de ruimte en stapelen zich op elkaar. Afhankelijk van de dikte van de zeepfilms, kunnen twee golven constructief of destructief op elkaar inwerken. Een volledige berekening van het interferentiepatroon laat zien dat voor licht met één golflengte λ constructieve interferentie wordt waargenomen voor een filmdikte van λ/4, 3λ/4, 5λ/4, enz., en destructieve interferentie wordt waargenomen voor λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Formules voor berekening
Het fenomeen interferentie heeft veel toepassingen, dus het is belangrijk om de betrokken basisvergelijkingen te begrijpen. Met de volgende formules kunt u verschillende grootheden berekenen die verband houden met interferentie voor de twee meest voorkomende interferentiegevallen.
De locatie van heldere randen in het experiment van Young, d.w.z. gebieden met constructieve interferentie, kan worden berekend met behulp van de uitdrukking: ybright.=(λL/d)m, waarbij λ is de golflengte; m=1, 2, 3, …; d is de afstand tussen sleuven; L is de afstand tot het doel.
De locatie van donkere banden, d.w.z. gebieden met destructieve interactie, wordt bepaald door de formule: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
Voor een ander type interferentie - in dunne films - bepa alt de aanwezigheid van een constructieve of destructieve superpositie de faseverschuiving van de gereflecteerde golven, die afhangt van de dikte van de film en zijn brekingsindex. De eerste vergelijking beschrijft het geval van de afwezigheid van een dergelijke verschuiving, en de tweede beschrijft een verschuiving van een halve golflengte:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Hier is λ de golflengte; m=1, 2, 3, …; t is het pad dat in de film wordt afgelegd; n is de brekingsindex.
Observatie in de natuur
Als de zon op een zeepbel schijnt, kunnen felgekleurde banden worden gezien, omdat verschillende golflengten onderhevig zijn aan destructieve interferentie en uit de reflectie worden verwijderd. Het resterende gereflecteerde licht lijkt complementair aan verre kleuren. Als er bijvoorbeeld geen rode component is als gevolg van destructieve interferentie, dan is de reflectie blauw. Dunne films van olie op water produceren een soortgelijk effect. In de natuur lijken de veren van sommige vogels, waaronder pauwen en kolibries, en de schelpen van sommige kevers iriserend, maar veranderen van kleur als de kijkhoek verandert. De fysica van optica is hier de interferentie van gereflecteerde lichtgolven van dunne gelaagde structuren of reeksen reflecterende staven. Evenzo hebben parels en schelpen een iris, dankzij de superpositie van reflecties van verschillende lagen parelmoer. Edelstenen zoals opaal vertonen prachtige interferentiepatronen door de verstrooiing van licht van regelmatige patronen gevormd door microscopisch kleine bolvormige deeltjes.
Toepassing
Er zijn veel technologische toepassingen van lichtinterferentieverschijnselen in het dagelijks leven. De fysica van camera-optiek is erop gebaseerd. De gebruikelijke antireflectiecoating van lenzen is een dunne film. De dikte en breking ervan zijn gekozen om destructieve interferentie van gereflecteerd zichtbaar licht te produceren. Meer gespecialiseerde coatings bestaande uit:meerdere lagen dunne films zijn ontworpen om straling alleen in een smal golflengtebereik door te laten en worden daarom gebruikt als lichtfilters. Meerlaagse coatings worden ook gebruikt om de reflectiviteit van astronomische telescoopspiegels en optische laserholtes te vergroten. Interferometrie - nauwkeurige meetmethoden die worden gebruikt om kleine veranderingen in relatieve afstanden te detecteren - is gebaseerd op de waarneming van verschuivingen in donkere en lichte banden die worden veroorzaakt door gereflecteerd licht. Door bijvoorbeeld te meten hoe het interferentiepatroon zal veranderen, kunt u de kromming van de oppervlakken van optische componenten bepalen in fracties van de optische golflengte.
