Interferencja i dyfrakcja

Interferencja i dyfrakcja są zjawiskami charakterystycznymi dla wszystkich fal, od fal wodnych po fale elektromagnetyczne, takie jak światło.

Interferencja odnosi się do zjawiska, w którym dwie fale tego samego rodzaju nakładają się na siebie, tworząc wynikową falę o większej, niższej lub tej samej amplitudzie.

Dyfrakcję definiuje się jako zakrzywianie fali wokół rogów przeszkody lub otworu. W takim przypadku różnicowe części fali mogą interferować i powodować naprzemienność przestrzenną o dużej i małej amplitudzie.

Ten film pokaże falową naturę światła, obserwując wzorce dyfrakcyjne i interferencyjne.

Fala to oscylacja amplitudy pewnej wielkości fizycznej w przestrzeni i/lub czasie. Interferencja jest jednym z najbardziej charakterystycznych zjawisk związanych z falami.

Różne części fal mogą nakładać się na siebie i "interferować", tworząc przestrzenną naprzemienność silnych i słabych amplitud fal, zwaną wzorem interferencyjnym. Kiedy amplitudy fal zakłócających sumują się, nazywa się to interferencją konstruktywną; Natomiast gdy ich amplitudy odejmują się od siebie, nazywa się to interferencją destrukcyjną.

Teraz, jeśli światło o długości fali lamda pada na pojedynczą wąską szczelinę, intensywność daleko od szczeliny zmienia się między dużymi i małymi lub prawie zerowymi wartościami, odpowiadającymi "jasnym" i "ciemnym" obszarom, znanym również jako "prążki". Środek tego wzoru jest zawsze jasny, wzdłuż osi y szczeliny.

Ta przemiana jest znana jako "wzór dyfrakcyjny" światła przez małą aperturę. Jest to zjawisko charakterystyczne dla fal. A konkretnie punkty między dwiema krawędziami przysłony? ponownie emitować", czyli innymi słowy "załamywać" falę świetlną w różnych kierunkach.

Interferencja między różnymi częściami dyfrakcyjnych fal świetlnych powoduje powstanie wzoru dyfrakcyjnego.

W przypadku dwóch blisko rozmieszczonych szczelin powstały wzór, znany jako "wzór interferencji podwójnej szczeliny Younga", jest spowodowany interferencją dyfrakcji światła z obu szczelin. Poniższy protokół pokazuje, jak skonfigurować eksperymenty z pojedynczą i podwójną szczeliną oraz interpretować ich wyniki.

Zbierz niezbędne materiały i instrumenty do eksperymentu, w tym helowo-neonowy wskaźnik laserowy o długości fali ~633nm, kilka cienkich żyletek, folię aluminiową, tekturę, linijkę, nożyczki, drewniany klocek i laserowe okulary ochronne.

Za pomocą nożyczek pokrój folię aluminiową na dwa kwadratowe kawałki o wymiarach około 2 na 2 cale. Pokrój również karton na dwa kwadratowe kawałki o wymiarach około 3 cale na 3 cale z otworem o średnicy około 1 cala pośrodku.

Następnie weź jeden kawałek folii aluminiowej i za pomocą żyletki wytnij prostą szczelinę o długości około 1 centymetra na środku folii. Przyklej folię do jednego kartonu ze szczeliną umieszczoną wewnątrz otworu.

Teraz przyklej jedną krawędź kartonu do drewnianego klocka i przesuń białą ścianę około 30 centymetrów od szczeliny. Upewnij się, że karton jest prostopadły do powierzchni stołu, a otwór i pionowa szczelina są odsłonięte i skierowane w stronę ściany.

Umieść wskaźnik laserowy po drugiej stronie zamontowanego kartonu, upewniając się, że wiązka lasera będzie równoległa do stołu. Teraz załóż okulary ochronne lasera, włącz wskaźnik laserowy i skieruj wiązkę laserową na szczelinę.

Wyłącz światło w pomieszczeniu i obserwuj wzór światła na ścianie po drugiej stronie folii. Wyłącz wskaźnik laserowy i zdejmij laserowe okulary ochronne.

Następnie ułóż trzy żyletki tak, aby środkowe ostrze było zagłębione. Weź drugą folię aluminiową i za pomocą stosu żyletek i linijki wytnij dwie blisko rozmieszczone proste równoległe szczeliny o długości około 1 centymetra na środku folii. Teraz przyklej folię do drugiego kartonu, a następnie przyklej ją do drewnianego klocka, tak jak poprzednio.

Załóż okulary ochronne do lasera, włącz wskaźnik laserowy i skieruj wiązkę laserową na podwójną szczelinę. Wyłącz światło w pomieszczeniu i obserwuj wzór światła na ścianie po drugiej stronie folii. Na koniec wyłącz wskaźnik laserowy.

Po skompletowaniu protokołu przeanalizujmy teraz wyniki eksperymentów z pojedynczą i podwójną szczeliną. W eksperymencie z pojedynczą szczeliną wzór światła zaobserwowany na ścianie wykazuje charakterystyczne prążki dyfrakcyjne. Centralna jasna prążek jest około dwa razy szersza w kierunku y, niż inne jasne prążki, które są mniej więcej tej samej szerokości.

Dodatkowo intensywność jasnych prążków zanika od środka do obrzeży wzdłuż osi y. Jest to oczekiwane w przypadku wzoru dyfrakcyjnego z pojedynczą szczeliną, ponieważ równoległe promienie świetlne z lasera zakrzywiają się w szczelinie i konstruktywnie nakładają się na siebie, tworząc jasne prążki i destrukcyjnie tworząc ciemne pasma pomiędzy nimi.

W eksperymencie z podwójną szczeliną wzór światła zaobserwowany na ścianie wykazuje charakterystyczne prążki interferencyjne.

Te prążki interferencyjne są znacznie węższe niż jasne obszary wzoru dyfrakcyjnego. Dzieje się tak, ponieważ separacja między szczelinami "d" jest znacznie większa niż szerokość szczeliny "a" i to właśnie odwrotność separacji między szczelinami kontroluje szerokość prążków interferencyjnych. Jednak to odwrotność szerokości szczeliny "a" kontroluje szerokość prążków dyfrakcyjnych.

Dyfrakcja i interferencja światła odegrała zasadniczą rolę w ustaleniu, że światło jest falą elektromagnetyczną. Efekty te są więc ważne w wielu technologiach opartych na optyce i fotonice.

Spektroskopia dyfrakcji laserowej to technologia, która wykorzystuje wzory dyfrakcyjne wiązki laserowej przechodzącej przez dowolny obiekt - od nanometrów do milimetrów - w celu szybkiego pomiaru wymiarów geometrycznych cząstki.

Czujnik służy do wykrywania kąta padania światła laserowego, a komputer jest następnie używany do wykrywania rozmiarów cząstek obiektu na podstawie wytwarzanej energii świetlnej i jego układu.

Interferometria to technika wykorzystująca superpozycję i interferencję fal do precyzyjnego pomiaru odległości, małych przemieszczeń, zmian współczynnika załamania światła i nieregularności powierzchni.

Tutaj dwie fale o tej samej częstotliwości, ale różnej długości ścieżki interferują, co skutkuje wzorcem interferencyjnym. Ten wzorzec można następnie wykorzystać do precyzyjnego pomiaru nieznanego parametru. Ta sama technika interferometrii jest stosowana w LIGO lub Laserowym Obserwatorium Interferometru Fal Grawitacyjnych, które są ogromnymi detektorami zbudowanymi do wykrywania fal grawitacyjnych.

Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do dyfrakcji i interferencji światła. Powinieneś teraz być w stanie zrozumieć teorię stojącą za powstawaniem dyfrakcyjnych i interferencyjnych wzorów świetlnych, która została zademonstrowana za pomocą eksperymentów z pojedynczą i podwójną szczeliną. Dzięki za oglądanie!