Az interferenciaminták világos vagy sötét sávok, amelyeket egymással fázisban lévő vagy fázison kívüli sugarak okoznak. Szuperponált fény és hasonló hullámok összeadódnak, ha fázisaik egybeesnek (mind a növekedés, mind a csökkenés irányában), vagy kompenzálják egymást, ha ellenfázisban vannak. Ezeket a jelenségeket konstruktív, illetve destruktív interferenciának nevezzük. Ha egy monokromatikus sugárzás, amelyek mindegyike azonos hullámhosszú, két keskeny résen halad át (a kísérletet először Thomas Young, egy angol tudós hajtotta végre 1801-ben, aki neki köszönhetően jutott a hullám természetére fény), a kapott két nyaláb egy lapos képernyőre irányítható, amelyen két egymást átfedő folt helyett interferenciaperemek képződnek - egyenletesen váltakozó világos és sötét területek mintázata. Ezt a jelenséget például minden optikai interferométernél alkalmazzák.
Szuperpozíció
Minden hullám meghatározó jellemzője a szuperpozíció, amely az egymásra helyezett hullámok viselkedését írja le. Elve az, hogy amikor az űrbenHa kettőnél több hullámot helyezünk egymásra, akkor a kapott perturbáció egyenlő az egyes perturbációk algebrai összegével. Néha ezt a szabályt nagy zavarok miatt megsértik. Ez az egyszerű viselkedés zavaró jelenségeknek nevezett hatások sorozatához vezet.
Az interferencia jelenségét két szélsőséges eset jellemzi. A két hullám konstruktív maximumában egybeesik, és fázisban vannak egymással. Szuperpozíciójuk eredménye a zavaró hatás fokozódása. A kapott vegyes hullám amplitúdója megegyezik az egyes amplitúdók összegével. És fordítva, destruktív interferencia esetén az egyik hullám maximuma egybeesik a második minimumával - ellenfázisban vannak. A kombinált hullám amplitúdója megegyezik az összetevőinek amplitúdóinak különbségével. Abban az esetben, ha egyenlőek, a destruktív interferencia teljes, és a közeg teljes perturbációja nulla.
Jung kísérlete
A két forrásból származó interferenciaminta egyértelműen jelzi az átfedő hullámok jelenlétét. Thomas Jung azt javasolta, hogy a fény egy hullám, amely engedelmeskedik a szuperpozíció elvének. Híres kísérleti eredménye a fény konstruktív és destruktív interferenciájának bemutatása volt 1801-ben. Young kísérletének modern változata lényegében csak abban különbözik, hogy koherens fényforrásokat használ. A lézer egyenletesen megvilágít két párhuzamos rést egy átlátszatlan felületen. A rajtuk áthaladó fény egy távoli képernyőn figyelhető meg. Amikor a rések közötti szélesség sokkal nagyobb, minthullámhossz, a geometriai optika szabályait betartják - két megvilágított terület látható a képernyőn. Amint azonban a rések egymáshoz közelednek, a fény elhajlik, és a képernyőn megjelenő hullámok átfedik egymást. Maga a diffrakció a fény hullámtermészetének következménye, és egy másik példa erre a hatásra.
Interferenciaminta
A szuperpozíció elve határozza meg az eredő intenzitáseloszlást a megvilágított képernyőn. Interferenciaminta akkor lép fel, ha a rés és a képernyő közötti útkülönbség egyenlő a hullámhosszok egész számával (0, λ, 2λ, …). Ez a különbség biztosítja, hogy a csúcsok egy időben érkezzenek. Pusztító interferencia akkor lép fel, ha az útkülönbség a hullámhosszok egész számú, felére eltolt száma (λ/2, 3λ/2, …). Jung geometriai érveket használt annak bemutatására, hogy a szuperpozíció egyenletesen elhelyezkedő peremek vagy nagy intenzitású foltok sorozatát eredményezi, amelyek megfelelnek a konstruktív interferencia területeinek, amelyeket a teljes destruktív interferencia sötét foltjai választanak el egymástól.
A furatok közötti távolság
A kettős rés geometriájának fontos paramétere a fény hullámhosszának λ és a d lyukak közötti távolság aránya. Ha λ/d sokkal kisebb, mint 1, akkor a peremek közötti távolság kicsi lesz, és nem lesz átfedési hatás. A szorosan elhelyezett rések használatával Jung el tudta választani a sötét és világos területeket. Így meghatározta a látható fény színeinek hullámhosszát. Rendkívül kicsi nagyságrendjük megmagyarázza, hogy miért csak ezek a hatások figyelhetők megbizonyos feltételek mellett. A konstruktív és destruktív interferencia területeinek elkülönítéséhez a fényhullámok forrásai közötti távolságnak nagyon kicsinek kell lennie.
Hullámhossz
Az interferenciahatások megfigyelése két másik okból is kihívást jelent. A legtöbb fényforrás folytonos hullámhossz-spektrumot bocsát ki, aminek eredményeként több interferenciamintázat egymásra rakódik, és mindegyiknek saját távolsága van a peremek között. Ez kioltja a legkifejezettebb hatásokat, például a teljes sötétség területeit.
Koherencia
Ahhoz, hogy az interferencia hosszabb ideig megfigyelhető legyen, koherens fényforrásokat kell használni. Ez azt jelenti, hogy a sugárforrásoknak állandó fáziskapcsolatot kell fenntartaniuk. Például két azonos frekvenciájú harmonikus hullám mindig fix fázisviszonyban áll a tér minden pontján - akár fázisban, akár ellenfázisban, vagy valamilyen köztes állapotban. A legtöbb fényforrás azonban nem bocsát ki valódi harmonikus hullámokat. Ehelyett olyan fényt bocsátanak ki, amelyben másodpercenként milliószor fordulnak elő véletlenszerű fázisváltozások. Az ilyen sugárzást inkoherensnek nevezzük.
Az ideális forrás a lézer
Interferencia továbbra is megfigyelhető, ha két inkoherens forrás hullámai egymásra helyezkednek a térben, de az interferencia-mintázatok véletlenszerűen változnak, véletlenszerű fáziseltolódással együtt. A fényérzékelők, beleértve a szemet is, nem tudnak gyorsan regisztrálniváltozó képet, de csak az időátlagos intenzitást. A lézersugár majdnem monokromatikus (azaz egy hullámhosszból áll) és nagyon koherens. Ideális fényforrás az interferenciahatások megfigyeléséhez.
Frekvenciaérzékelés
1802 után a Jung által mért látható fény hullámhosszai összefüggésbe hozhatók az akkoriban rendelkezésre álló, nem kellően pontos fénysebességgel ahhoz, hogy közelítsék a frekvenciáját. Például zöld fény esetén ez körülbelül 6×1014 Hz. Ez sok nagyságrenddel magasabb, mint a mechanikai rezgések frekvenciája. Összehasonlításképpen, az ember akár 2×104 Hz-es hangot is hall. Hogy pontosan mi ingadozott ilyen ütemben, az a következő 60 évben rejtély maradt.
Vékony filmek zavarása
A megfigyelt hatások nem korlátozódnak a Thomas Young által használt kettős rés geometriára. Amikor a sugarak visszaverődnek és megtörnek két olyan felületről, amelyeket a hullámhosszhoz hasonló távolság választ el egymástól, interferencia lép fel vékony filmekben. A felületek közötti film szerepét vákuum, levegő, bármilyen átlátszó folyadék vagy szilárd anyag töltheti be. Látható fényben az interferenciahatás néhány mikrométeres nagyságrendűre korlátozódik. A film jól ismert példája a szappanbuborék. A róla visszaverődő fény két hullám szuperpozíciója - az egyik az elülső felületről, a második pedig a hátulról verődik vissza. A térben átfedik egymást, és egymásra helyezkednek. A szappan vastagságától függőenfilmekben két hullám kölcsönhatásba léphet konstruktívan vagy destruktívan. Az interferencia-mintázat teljes számítása azt mutatja, hogy egy λ hullámhosszú fény esetén konstruktív interferencia figyelhető meg λ/4, 3λ/4, 5λ/4 stb. filmvastagság esetén, és destruktív interferencia figyelhető meg λ/2 esetén, λ, 3λ/ 2, …
Számítási képletek
Az interferencia jelenségének számos felhasználási módja van, ezért fontos megérteni az alapvető egyenleteket. A következő képletek lehetővé teszik az interferenciához kapcsolódó különböző mennyiségek kiszámítását a két leggyakoribb interferencia esetre.
A Young-kísérletben a fényes peremek, azaz a konstruktív interferenciát okozó területek elhelyezkedése a következő kifejezéssel számítható ki: ybright.=(λL/d)m, ahol λ a hullámhossz; m=1, 2, 3, …; d a rések közötti távolság; L a cél távolsága.
A sötét sávok, azaz a destruktív kölcsönhatás területeinek elhelyezkedését a következő képlet határozza meg: ysötét.=(λL/d)(m+1/2).
Egy másik típusú interferencia esetében - vékony filmeknél - a konstruktív vagy destruktív szuperpozíció jelenléte határozza meg a visszavert hullámok fáziseltolódását, ami a film vastagságától és törésmutatójától függ. Az első egyenlet az ilyen eltolódás hiányának esetét írja le, a második pedig egy félhullámhossz-eltolást:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Itt λ a hullámhossz; m=1, 2, 3, …; t a filmben megtett út; n a törésmutató.
Megfigyelés a természetben
Ha a nap rásüt egy szappanbuborékra, élénk színű sávok láthatók, mivel a különböző hullámhosszak destruktív interferenciának vannak kitéve, és eltűnnek a visszaverődésből. A fennmaradó visszavert fény a távoli színek kiegészítőjeként jelenik meg. Például, ha a destruktív interferencia következtében nincs vörös komponens, akkor a visszaverődés kék színű lesz. A vékony olajréteg a vízen hasonló hatást vált ki. A természetben egyes madarak, köztük a pávák és a kolibri tollai, valamint egyes bogarak héja szivárványosnak tűnik, de a látószög változásával megváltoztatják a színüket. Az optika fizikája itt a vékony rétegű struktúrákról vagy fényvisszaverő rudak tömbjeiről visszavert fényhullámok interferenciája. Hasonlóképpen, a gyöngyök és a kagylók írisszel rendelkeznek, köszönhetően a több réteg gyöngyház tükröződésének. Az olyan drágakövek, mint az opál, gyönyörű interferencia-mintákat mutatnak a mikroszkopikus gömb alakú részecskék által alkotott szabályos mintákból származó fény szórása miatt.
Alkalmazás
A fény interferencia jelenségeinek számos technológiai alkalmazása létezik a mindennapi életben. A kamera optikájának fizikája ezekre épül. A lencsék szokásos tükröződésgátló bevonata vékony film. Vastagságát és fénytörését úgy választják meg, hogy a visszavert látható fény destruktív interferenciáját hozza létre. Speciálisabb bevonatok, amelyek atöbb réteg vékony filmet úgy terveztek, hogy csak egy szűk hullámhossz-tartományban továbbítsa a sugárzást, ezért fényszűrőként használják őket. A többrétegű bevonatokat a csillagászati távcsőtükrök, valamint a lézeres optikai üregek visszaverő képességének növelésére is használják. Az interferometria - a relatív távolságok kis változásainak kimutatására használt precíz mérési módszerek - a visszavert fény által létrehozott sötét és világos sávok eltolódásainak megfigyelésén alapul. Például az interferenciamintázat változásának mérése lehetővé teszi az optikai komponensek felületének görbületének meghatározását az optikai hullámhossz töredékeiben.
