Интерференция и дифракция

Интерференция и дифракция являются характерными явлениями всех волн, от волн воды до электромагнитных волн, таких как свет.

Интерференция относится к явлению, при котором две волны одного и того же вида накладываются друг на друга, образуя результирующую волну большей, меньшей или одинаковой амплитуды.

Дифракция определяется как искривление волны вокруг углов препятствия или апертуры. В этом случае дифференциальные части волны могут создавать помехи и порождать пространственное чередование большой и малой амплитуды.

В этом видео будет продемонстрирована волновая природа света на основе наблюдения за дифракционными и интерференционными картинами.

Волна — это колебание амплитуды некоторой физической величины в пространстве и/или времени. Интерференция – одно из наиболее характерных явлений, связанных с волнами.

Различные части волн могут накладываться друг на друга и «интерферировать», создавая пространственное чередование сильных и слабых амплитуд волн, называемое интерференционной картиной. Когда амплитуды мешающих волн суммируются, это называется конструктивной интерференцией; В то время как когда их амплитуды вычитаются друг из друга, это называется деструктивной интерференцией.

Теперь, если свет с длиной волны lamda освещается на одну узкую щель, интенсивность вдали от щели чередуется между большими и малыми или почти нулевыми значениями, соответствующими «светлым» и «темным» областям, также известным как «бахромы». Центр этого узора всегда яркий, вдоль оси y разреза.

Это чередование известно как «дифракционная картина» света через маленькую апертуру. Это характерное явление для волн. В частности, точки между двумя краями апертуры?» переизлучать», или, другими словами, «дифрагировать» световую волну в разных направлениях.

Интерференция между различными частями дифрагированных световых волн приводит к формированию дифракционной картины.

В случае двух близко расположенных щелей образующаяся структура, известная как «интерференционная картина Юнга с двумя щелями», возникает из-за интерференции дифрагированного света от обеих щелей. В следующем протоколе показано, как настроить однощелевые и двухщелевые эксперименты и интерпретировать их результаты.

Соберите необходимые материалы и инструменты для эксперимента, в том числе гелий-неоновую лазерную указку с длиной волны ~633 нм, несколько тонких бритвенных лезвий, алюминиевую фольгу, картон, линейку, ножницы, деревянный брусок и лазерные защитные очки.

С помощью ножниц разрежьте алюминиевую фольгу на две квадратные части размером примерно 2 на 2 дюйма. Кроме того, разрежьте картон на две квадратные части размером примерно 3 на 3 дюйма с отверстием диаметром около 1 дюйма в центре.

Далее возьмите один кусок алюминиевой фольги, и с помощью лезвия бритвы вырежьте посередине фольги прямую щель длиной около 1 сантиметра. Приклейте фольгу скотчем к одному картону так, чтобы прорезь располагалась внутри отверстия.

Теперь прикрепите один край картона к деревянному бруску и сдвиньте белую стену примерно на 30 сантиметров от щели. Следите за тем, чтобы картон был перпендикулярен поверхности стола, а отверстие и вертикальная щель были оголены, и обращены к стене.

Расположите лазерную указку с другой стороны смонтированного картона, при этом следя за тем, чтобы лазерный луч был параллелен столу. Теперь наденьте лазерные защитные очки, включите лазерную указку и направьте лазерный луч на щель.

Выключите свет в комнате и понаблюдайте за световым узором на стене с другой стороны фольги. Выключите лазерную указку и снимите лазерные защитные очки.

Затем сложите три лезвия бритвы так, чтобы среднее лезвие было утоплено. Возьмите другую алюминиевую фольгу и с помощью стопки бритвенных лезвий и линейки вырежьте две близко расположенные прямые параллельные разрезы, длиной около 1 сантиметра в середине фольги. Теперь прикрепите фольгу к другому картону, а затем прикрепите ее к деревянному бруску, как и раньше.

Наденьте лазерные защитные очки, включите лазерную указку и направьте лазерный луч на двойную щель. Выключите свет в комнате и понаблюдайте за световым узором на стене с другой стороны фольги. Наконец, выключите лазерную указку.

Теперь, когда протокол завершен, давайте рассмотрим результаты экспериментов с одной и двумя щелями. В эксперименте с одной щелью световой рисунок, наблюдаемый на стене, демонстрирует характерные дифракционные полосы. Центральная яркая бахрома примерно в два раза шире в направлении y, чем другие яркие бахромы, которые имеют примерно такую же ширину.

Кроме того, интенсивность ярких полос уменьшается от центра к периферийным полосам вдоль оси y. Это ожидаемо для дифракционной картины с одной щелью, так как параллельные световые лучи от лазера изгибаются в щели и накладываются друг на друга, образуя яркие полосы и разрушая темные полосы между ними.

В эксперименте с двумя щелями световой рисунок, наблюдаемый на стене, демонстрирует характерные интерференционные полосы.

Эти интерференционные полосы намного уже, чем яркие области дифракционной картины. Это связано с тем, что расстояние между щелями 'd' намного больше, чем ширина щели 'a', и именно величина, обратная межщелевому разделению, контролирует ширину интерференционных полос. Тем не менее, именно величина, обратная ширине щели 'a', управляет шириной дифракционных полос.

Дифракция и интерференция света сыграли важную роль в установлении того, что свет является электромагнитной волной. Таким образом, эти эффекты важны во многих технологиях, основанных на оптике и фотонике.

Лазерная дифракционная спектроскопия — это технология, которая использует дифракционные картины лазерного луча, проходящего через любой объект размером от нанометров до миллиметров, для быстрого измерения геометрических размеров частицы.

Датчик используется для определения угла лазерного света, а компьютер затем используется для определения размеров частиц объекта по производимой световой энергии и ее расположению.

Интерферометрия — это метод, который использует суперпозицию и интерференцию волн для точного измерения расстояний, малых перемещений, изменений показателя преломления и неровностей поверхности.

Здесь интерферируют две волны одинаковой частоты, но разной длины трассы, что приводит к интерференционной картине. Этот шаблон затем может быть использован для точного измерения неизвестного параметра. Этот же метод интерферометрии используется в LIGO или лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, которая представляет собой огромные детекторы, созданные для обнаружения гравитационных волн.

Вы только что посмотрели введение JoVE в дифракцию и интерференцию света. Теперь вы должны быть в состоянии понять теорию формирования дифракционных и интерференционных световых картин, которая была продемонстрирована с помощью экспериментов с одной и двумя щелями. Спасибо за просмотр!