干渉と回折

干渉や回折は、水の波から光などの電磁波まで、あらゆる波に特徴的な現象です。

干渉とは、同じ種類の2つの波が重なり合って、より大きな、より低い、または同じ振幅の波が発生する現象を指します。

回折は、障害物や開口部の角の周りで波が曲がることと定義されます。この場合、波の差動部分が干渉し、大振幅と小振幅の空間的交代を引き起こす可能性があります。

このビデオでは、回折パターンと干渉パターンを観察することにより、光の波の性質を示します。

波とは、空間や時間におけるある物理量の振幅の振動です。干渉は、波に関連する最も特徴的な現象の1つです。

波のさまざまな部分が重なり合って「干渉」し、干渉パターンと呼ばれる強い波と弱い波の振幅が空間的に交互に変化することがあります。干渉波の振幅が加算されると、それは建設的干渉と呼ばれます。一方、それらの振幅が互いに減算される場合、それは破壊的干渉と呼ばれます。

さて、波長ラムダの光が単一の細いスリットに照らされている場合、スリットから遠く離れた強度は、大きな値と小さな値、またはほぼゼロの値の間で交互になり、「明るい」領域と「暗い」領域、別名「フリンジ」に対応します。このパターンの中心は、スリットのy軸に沿って常に明るくなります。

この交互は、小さな開口部を通る光の「回折パターン」として知られています。波に特徴的な現象です。具体的には、開口部の2つのエッジの間の点ですか?」再放出」、つまり光波をさまざまな方向に「回折」します。

回折光波の異なる部分間の干渉により、回折パターンが形成されます。

間隔の狭い2つのスリットの場合、「ヤングの二重スリット干渉パターン」として有名なパターンが形成されるのは、両方のスリットからの回折光の干渉によるものです。次のプロトコルは、シングルスリット実験とダブルスリット実験のセットアップ方法とその結果の解釈方法を示しています。

波長~633nmのヘリウムネオンレーザーポインター、薄いカミソリの刃数枚、アルミホイル、段ボール、定規、ハサミ、木片、レーザー安全ゴーグルなど、実験に必要な材料と機器を集めてください。

はさみを使用して、アルミホイルを約2インチ×2インチの正方形の2つに切ります。また、段ボールを約3インチ×3インチの正方形に2つに切り、中央に直径約1インチの穴を開けます。

次に、アルミホイルを1枚取り、カミソリの刃を使って、ホイルの真ん中に長さ約1センチの直線的なスリットを切ります。ホイルを1枚の段ボールにテープで貼り付け、スリットを穴の内側に配置します。

次に、段ボールの一方の端を木製のブロックにテープで固定し、白い壁をスリットから約30センチ離してスライドさせます。段ボールがテーブルの表面に対して垂直で、穴と垂直スリットが露出し、壁に面していることを確認してください。

レーザービームがテーブルと平行になるようにしながら、取り付けられた段ボールの反対側にレーザーポインターを置きます。次に、レーザー安全ゴーグルを着用し、レーザーポインターをオンにして、レーザービームをスリットに当てます。

部屋の照明を消し、ホイルの反対側の壁の光のパターンを観察します。レーザーポインターの電源を切り、レーザー安全ゴーグルを取り外します。

次に、真ん中の刃がくぼむように3枚のカミソリの刃を積み重ねます。もう一方のアルミホイルを取り、カミソリの刃と定規のスタックを使用して、ホイルの中央に約1センチメートルの長さの2つの近接した直線平行スリットを切ります。次に、ホイルをもう一方の段ボールにテープで貼り付けてから、前と同じように木製のブロックにテープで貼り付けます。

レーザーセーフティゴーグルを装着し、レーザーポインターをオンにして、レーザービームをダブルスリットに照射します。部屋の照明を消し、ホイルの反対側の壁の光のパターンを観察します。最後に、レーザーポインターをオフにします。

プロトコールが完成したら、今度はシングルスリット実験とダブルスリット実験の両方の結果を確認しましょう。シングルスリット実験では、壁面に観察された光のパターンが特徴的な回折縞を示しています。中央の明るいフリンジは、y方向に約2倍の幅で、すべて同じ幅の他の明るいフリンジよりも約2倍です。

さらに、明るいフリンジの強度は、y 軸に沿って中心から周辺フリンジに向かって減衰します。これは、レーザーからの平行光線がスリットで曲がり、建設的に重なり合うため、シングルスリット回折パターンで、明るいフリンジを形成し、その間に暗いバンドを破壊することが予想されます。

二重スリット実験では、壁面に観察された光のパターンが特徴的な干渉縞を示しています。

これらの干渉縞は、回折パターンの明るい領域よりもはるかに狭くなります。これは、スリット間間隔「d」がスリット幅「a」よりもはるかに大きく、干渉縞の幅を制御するのはスリット間間隔の逆数であるためです。ただし、回折縞の幅を制御するのはスリット幅 'a' の逆数です。

光の回折と干渉は、光が電磁波であることを立証する上で重要な役割を果たしてきました。したがって、これらの効果は、光学およびフォトニクスに基づく多くの技術で重要です。

レーザー回折分光法は、ナノメートルからミリメートルまでの任意の物体を通過するレーザービームの回折パターンを利用して、粒子の幾何学的寸法を迅速に測定する技術です。

センサーを使用してレーザー光の角度を検出し、次にコンピューターを使用して、生成された光エネルギーとそのレイアウトからオブジェクトの粒子サイズを検出します。

干渉法は、波の重ね合わせと干渉を利用して、距離、小さな変位、屈折率の変化、表面の凹凸を正確に測定する技術です。

ここでは、同じ周波数でパス長が異なる2つの波が干渉し、干渉パターンが発生します。このパターンを使用して、未知のパラメータを正確に測定できます。これと同じ干渉法の技術は、重力波を検出するために作られた巨大な検出器であるLIGO(レーザー干渉計重力波観測所)で使用されています。

JoVEの光の回折と干渉の紹介を見ました。これで、回折光パターンと干渉光パターンの形成の背後にある理論を、シングルスリットとダブルスリットの実験を使用して理解できるはずです。ご覧いただきありがとうございます!