Принцип Гюйгенса. Когерентность и монохроматичность световых волн. Длина и время когерентности. Пространственная и временная когерентность

При обосновании волновой теории Гюйгенс предложил принцип, позволивший наглядно интерпретировать ряд волновых задач: если в некоторый момент времени задан фронт световой волны, то для определения положения фронта через промежуток времени D t надо каждую точку фронта рассматривать как вторичный источник сферической волны.

Поверхность, огибающая вторичные сферические волны радиусом с D t, представляет фронт волны через промежуток времени D t. Но Гюйгенс не учитывал эффекты интерференции. С учетом явления интерференции вторичных волн данный принцип носит название принципа Гюйгенса–Френеля.

Временная и пространственная когерентность. Необходимое условие существования интерференции можно сформировать в следующем виде: для возникновения интерференции необходимо, чтобы разность фаз между интерферирующими волнами сохраняла свое значение за время усреднения. Поэтому и вводят понятие когерентных колебаний, для которых разность фаз за время наблюдения остается неизменной. При описании интерференционных явлений часто используют понятия временной и пространственнойкогерентности. Временную когерентность обычно связывают со степенью монохроматичности волн (например, в интерферометре Майкельсона), а пространственную когерентность – с геометрией эксперимента (как в опыте Юнга).

I = I₁₀+I₂₀+2корень(I₁₀I₂₀)cos(d(t)) – интенсивность. t - время когерентности. Под

t понимают среднее значение этих времён. t=(St_i)/N, t_i – средние времена смены фазы колебаний. В общем случае t является характерным временным масштабом случайных флуктуаций фазы световой волны.

Путь проходимый световой волной за время t называется длиной когерентности l = ct.

При рассм. пространственной когерентности необх. учитывать зависимость интерференционного слагаемого

I = I₁+I₂+ корень(I₁I₂)cos(D) – зависимость от опт. разность хода. Эта опт. разность ходя характеризует качество волны, т.е. способность разл. участков волнового фронта к взаимной когерентности. В этом случае опт. разность хода соотв. расстоянию между соотв. точками на волновом фронте.

Оценим размеры протяжённого источника при котором интерф. картина наблюдается, т.е. когда сохр. пространственная когерентность.

2j - угловая апертура.

Максимальная разность хода достигается между лучами 1-2 или 1-3. |AD|=|BC|=D=bsinj когда n одинаковый.

При разности хода D=l/2 интерференционная картина исчезает. При уменьшении значения bsinj будут наблюдаться размытые интерф. полосы.

Чёткая инт. картина будет. набл., если смещение инт. картин полученных от крайних точек А и В протяжённого источника не превышает половины ширины полосы bsinj£l/4.

Данное условие явл. условием пространственной когерентности для протяжённого источника.

8. Интерференция света. Условия, необходимые для возникновения интерференции световых волн. Разность фаз двух когерентных волн. Условия интерференционных максимумов и минимумов.

Под интерференцией света обычно понимают широкий круг явлений, в которых при наложении световых волн результирующая интенсивность не равна сумме интенсивностей отдельных волн: в одних местах она больше, в других – меньше, т.е. возникают чередующиеся светлые и темные участки – интерференционные полосы. Другими словами, интерференцией называется изменение средней плотности потока энергии, обусловленное суперпозицией электромагнитных волн.

Интерференция – это перераспределение светового потока при наложении двух (или более) когерентных световых волн, в рез-те чего, в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности.

Под интенсивностью будем понимать I=<ReE*ReE> = ½ Re(E* E) = ½ E₀², где E₀ – действительная амплитуда световой волны.

Необх. условием интерференции любых волн, явл. их когерентность, т.е. согласованное протекание во времени и пространстве двух или нескольких волновых процессов.

Строго когерентными явл. лишь монохроматические волны, т.е. волны с пост. во времени частотами, амплитудой и начальной фазой. Эти хар-ки для монохром. волн остаются постоянными бесконечно долго. Свет от реального источника не явл. монохроматическим.

Случай1. Предположим, что в некоторую точку пространства приходят две монохром. волны w1=w2=w, E₀₁, E₀₂, но эти волны распространяются в одном направлении и они линейно поляизованы.

E1=E₀₁exp(–i(wt–j1)), E2=E₀₂exp(–i(wt–j2)), E=E1+E2

Используя определение интенсивности:

I = I₁₀+I₂₀+2корень(I₁₀I₂₀)cos(d), I1=1/2E₀₁², I2=1/2E₀₂², d=j2-j1

Последнее слагаемое наз-ся интерференционным слагаемым.

Если колебания синфазны, т.е. j2-j1 равны либо 0, либо чётно число 2p, j2-j1=2pk, k=0,±1,±2...

I = I₁₀+I₂₀+2корень(I₁₀I₂₀)=(корень(I1)+корень(I2))² – максимум.

Когда в точку пространства приходят две волны в противофазе I = (корень(I1)–корень(I2))² – минимум.

Случай2. В точку пространства приходят две линейно поляризованные волны, распростр. в одном направлении, но с разными частотами и амплитудами. В этом случае последний аргумент принимает значение cos[(j2-j1)+(w1-w2)t].

Случай3. (для некогерентных волн). Разность фаз хаотически изменяется во времени. Это означает, что среднее значение <cos(j2-j1)>t = 0, I=I1+I2 в любой точке пространства.

25. Соотношения неопределённостей. Их физический смысл.

В классическом представлении, в любой момент времени для каждой частицы r сказать чему равны её координаты и импульс.

Гейзенберг выдвинул гипотезу о экспериментальной невозможности измерения опред. пар связанных между собой хар-к частицы. Эта гипотеза реализовалась в виде соотн. неопред. Гейзенберга и имеет след. вид:

DxDp_x ³ħ, DyDp_y ³ħ, DzDp_z ³ħ

Dx ³ ħ/Dp_x, Dp_x должно быть равно бесконечности

Dp_x ³ ħ/Dx, Dx должно быть равно бесконечности

Это означает, что мы не можем одновременно измерить две эти хар-ки.

Физ. смысл соотношения: в природе объективно не сущ. состояний частиц, которые бы характеризовались опред. значениями, канонически сопряжённых величин x,p_x; y,p_y

Аналогичные соотношения можно ввести для DEDt ³ ħ

DE –

Dt – промежуток времени в теч. которого сущ. это состояние.

9. Получение когерентных пучков делением волнового фронта. Метод Юнга. Зеркала Френеля. Расчёт интерференционной картины от двух источников.

Рассм. метод деления волнового фронта. Пусть в некоторой точке пространства (j1=wt) E=E₀exp(-jwt). В некот. точке пространства произошло разделение волны на две когерентные. В другой точке пространства М требуется получить интерференционную картину, т.е. сложить две интенсивности. Будем считать, что первая волна в пространстве прошла геом. путь S1 в среде с показателем n1, вторая – S2, n2.

E1=E₀₁cos(w(t–S1/V1)), E2=E₀₂cos(w(t–S2/V2)), V1=c/n1, V2=c/n2.

В точке М d=w(S2/V2–S1/V1) = (w/c)(S2n2–S1n1)=(w/c)(L2–L1)=2p/l0, L - оптическая длина пути. L=Sn, D=L2–L1. l0 – длина волны в вакууме. D - разность хода оптическая.

Imax наблюдается при D=x₀k=2k(l₀/2), k=0,±1, ±2..., т.е. при чётном числе половин длин волн.

Imin наблюдается при D=(2k+1)(l₀/2), k=0,±1, ±2..., т.е. при нечётном числе половин длин волн.

Опыт Юнга.

1 путь: |S₁P|+|SS₁|

2 путь: |SS₂|+|S₂P|

D=|S₂P|–|S₁P|, D=корень(l ²+(y+d/2)²)–корень(l ²+(y–d/2)²), d<< l, d/ l <<1

корень(l ²+(y–d/2)²)= l корень(1+((y±d/2)/ l) ²)» l (1+(y±d/2)/2 l ²+...)

С учётом такого приближения D»yd/ l

Разность фаз d=Dj=2p/l; D=(2p/l)(yd/ l)=(2pdy)/(p l).

В зависимости от y будет наблюдаться или max, или min.

max: l/2(2k), min: l/2(2k+1)

Если выведенную d подставить в формулу для суммарной интенсивности, то I(y)=I=2I₀[1+cos((2pdy)/(l l))].

Расстояние на экране между соседними максимумами или соседними минимумами интенсивности Dy=ymax0-ymax1 наз-ся шириной интерференционной полосы. Dy= l l/d. Ширина полосы не зависит от порядка интерференции. Под порядком понимается max или min.

Зеркала Френеля.

т.к. точка А Î как первому, так и второму зеркалу, то устанавливаем два перпендикуляра. Угол между ними равен d. Луч делится на 2 луча. d очень маленький. d~1⁰ (один градус).

На участке АВ волна разд. на две части интерферирует сама с собой. Э1 – непрозрачный экран. S1 и S2 – мнимые источники. d – расстояние между источниками.

xmax = ±2k l l/2d, kÎZ, l – расстояние от источника до экрана. xmax – чётное число полуволн.

xmin = ±(2k+1) l l/2d, kÎZ, l – расстояние от источника до экрана. xmin – чётное число полуволн.

b – расстояние от центра зеркал до экрана.

Зеркало 1 и зеркало 2 с точностью до очень маленького угла будут перпендикулярны прямой SS1 и делить отрезок SS1 пополам. След. DS1OS равнобедренный с точностью до d. OS1=OS=r»a с точностью до очень маленького угла d.

a=rcosd, cosd=1 при малом d r»a

l в формулах xmax и xmin: l = r+b.

Рассм. DS1S2O: d/2=rsind, sind=d при малом d => d»2rd/

Расстоянием между двумя соседними max наз-ся расстояние между интерференционными полосами.

Расстояние между соседними min наз-ся шириной интерференционной полосы..

Ширина полосы всегда равна расстоянию между интерференционными полосами.

Dx=x2-x1=(k l l)/d – ((k-1) l l)/d= l l/d – ширина полосы (расстояние между полосами), общий случай.

Ширина интерф. полосы для зеркал Френеля: Dx»(r+b)l/(2rd)

Ширина луча (зона интерференции) имеет угл 2d.

Т.к. зона интерф. АВ строго ограничена, то число интерф. полос конечно. N=AB/Dx, (AB/2/b)=tgd => AB=2btgd»|tgd»d (малое d)|»2bd. N=2bd/((r+b)/(2rd))l=2bd2rd/(r+b)l=4rbd²/(r+b)l

Дата добавления: 2015-07-02