Häiriökuviot ovat vaaleita tai tummia vyöhykkeitä, jotka aiheutuvat toistensa kanssa samassa vaiheessa tai epävaiheisista säteistä. Päällekkäin asetettuina valot ja vastaavat aallot summautuvat, jos niiden vaiheet ovat samat (sekä kasvun että laskun suunnassa), tai ne kompensoivat toisiaan, jos ne ovat vastavaiheessa. Näitä ilmiöitä kutsutaan vastaavasti rakentaviksi ja tuhoaviksi häiriöiksi. Jos monokromaattisen säteilyn säde, joilla kaikilla on sama aallonpituus, kulkee kahden kapean raon läpi (kokeen suoritti ensimmäisen kerran vuonna 1801 englantilainen tiedemies Thomas Young, joka hänen ansiostaan tuli johtopäätökseen aallon luonteesta valosta), kaksi tuloksena olevaa sädettä voidaan suunnata litteälle näytölle, jolle kahden päällekkäisen pisteen sijasta muodostuu interferenssireunat - kuvio tasaisesti vuorottelevista vaaleista ja tummista alueista. Tätä ilmiötä käytetään esimerkiksi kaikissa optisissa interferometreissä.
Superpositio
Kaikkien a altojen määrittävä ominaisuus on superpositio, joka kuvaa päällekkäisten a altojen käyttäytymistä. Sen periaate on, että ollessaan avaruudessaJos päällekkäin asetetaan enemmän kuin kaksi a altoa, tuloksena oleva häiriö on yhtä suuri kuin yksittäisten häiriöiden algebrallinen summa. Joskus tätä sääntöä rikotaan suurten häiriöiden vuoksi. Tämä yksinkertainen käyttäytyminen johtaa sarjaan vaikutuksia, joita kutsutaan häiriöilmiöiksi.
Häiriön ilmiölle on ominaista kaksi ääritapausta. Konstruktiivisessa maksimissa nämä kaksi a altoa ovat yhteneväisiä, ja ne ovat vaiheessa toistensa kanssa. Niiden päällekkäisyyden tulos on häiritsevän vaikutuksen lisääntyminen. Tuloksena olevan seka-aallon amplitudi on yhtä suuri kuin yksittäisten amplitudien summa. Ja päinvastoin, tuhoavissa häiriöissä yhden aallon maksimi on sama kuin toisen minimi - ne ovat vastavaiheessa. Yhdistetyn aallon amplitudi on yhtä suuri kuin sen komponenttien amplitudien välinen ero. Siinä tapauksessa, että ne ovat yhtä suuret, tuhoava häiriö on täydellinen ja välineen kokonaishäiriö on nolla.
Jungin kokeilu
Kahdesta lähteestä peräisin oleva häiriökuvio osoittaa selvästi päällekkäisten a altojen olemassaolon. Thomas Jung ehdotti, että valo on a alto, joka noudattaa superpositiota. Hänen kuuluisa kokeellinen saavutuksensa oli valon rakentavan ja tuhoavan häiriön osoittaminen vuonna 1801. Youngin kokeilun moderni versio eroaa olennaisesti vain siinä, että siinä käytetään koherentteja valonlähteitä. Laser valaisee tasaisesti kaksi yhdensuuntaista rakoa läpinäkymättömässä pinnassa. Niiden läpi kulkeva valo havaitaan etänäytöllä. Kun rakojen välinen leveys on paljon suurempi kuinaallonpituudella geometrisen optiikan sääntöjä noudatetaan - näytöllä näkyy kaksi valaistua aluetta. Kuitenkin, kun raot lähestyvät toisiaan, valo taittuu ja näytön aallot menevät päällekkäin. Diffraktio itsessään on seurausta valon a altoluonteesta ja on toinen esimerkki tästä vaikutuksesta.
Häiriökuvio
Superpositioperiaate määrittää tuloksena olevan intensiteettijakauman valaistulla näytöllä. Häiriökuvio syntyy, kun polun ero raosta näyttöön on yhtä suuri kuin kokonaisluku aallonpituuksia (0, λ, 2λ, …). Tämä ero varmistaa, että huipput saapuvat samaan aikaan. Destruktiivista häiriötä esiintyy, kun polkuero on kokonaisluku aallonpituuksia siirrettynä puolella (λ/2, 3λ/2, …). Jung käytti geometrisia argumentteja osoittaakseen, että superpositio johtaa sarjaan tasaisin väliajoin olevia hapsuja tai suuren intensiteetin laikkuja, jotka vastaavat konstruktiivisen interferenssin alueita, joita erottavat täydellisen tuhoavan häiriön tummat pisteet.
Reikien välinen etäisyys
Tärkeä kaksoisrakogeometrian parametri on valon aallonpituuden λ suhde reikien väliseen etäisyyteen d. Jos λ/d on paljon pienempi kuin 1, niin hapsujen välinen etäisyys on pieni eikä päällekkäisvaikutuksia havaita. Käyttämällä lähekkäin olevia rakoja Jung pystyi erottamaan tummat ja vaaleat alueet. Siten hän määritti näkyvän valon värien aallonpituudet. Niiden erittäin pieni suuruus selittää, miksi nämä vaikutukset havaitaan vaintietyin edellytyksin. Rakentavan ja tuhoavan häiriön alueiden erottamiseksi valoa altojen lähteiden välisten etäisyyksien on oltava hyvin pieniä.
Aallonpituus
Häiriöiden havaitseminen on haastavaa kahdesta muusta syystä. Useimmat valonlähteet lähettävät jatkuvaa aallonpituuksien spektriä, mikä johtaa useisiin toistensa päällekkäisiin häiriökuvioihin, joista jokaisella on oma etäisyys reunojen välillä. Tämä kumoaa näkyvimmät efektit, kuten täydellisen pimeyden.
Johdonmukaisuus
Jotta häiriöitä havaitaan pitkän ajan kuluessa, on käytettävä koherentteja valonlähteitä. Tämä tarkoittaa, että säteilylähteiden on säilytettävä jatkuva vaihesuhde. Esimerkiksi kahdella samalla taajuudella olevalla harmonisella aallolla on aina kiinteä vaihesuhde kussakin avaruuden pisteessä - joko vaiheessa, vastavaiheessa tai jossain välitilassa. Useimmat valonlähteet eivät kuitenkaan lähetä todellisia harmonisia a altoja. Sen sijaan ne lähettävät valoa, jossa satunnaisia vaihemuutoksia tapahtuu miljoonia kertoja sekunnissa. Tällaista säteilyä kutsutaan epäkoherentiksi.
Ihanteellinen lähde on laser
Häiriöitä havaitaan edelleen, kun kahden epäkoherentin lähteen aallot asettuvat päällekkäin avaruudessa, mutta häiriökuviot muuttuvat satunnaisesti satunnaisen vaihesiirron mukana. Valoanturit, mukaan lukien silmät, eivät voi rekisteröityä nopeastimuuttuva kuva, mutta vain aikakeskiarvoinen intensiteetti. Lasersäde on lähes monokromaattinen (eli koostuu yhdestä aallonpituudesta) ja erittäin koherentti. Se on ihanteellinen valonlähde häiriövaikutusten havaitsemiseen.
Taajuuden tunnistus
Vuoden 1802 jälkeen Jungin mitatut näkyvän valon aallonpituudet saattoivat liittyä tuolloin saatavilla olevaan riittämättömään tarkkaan valonopeuteen sen taajuuden arvioimiseksi. Esimerkiksi vihreällä valolla se on noin 6×1014 Hz. Tämä on monta suuruusluokkaa suurempi kuin mekaanisten värähtelyjen taajuus. Vertailun vuoksi, ihminen voi kuulla ääntä jopa 2×104 Hz. Mikä tarkalleen vaihteli tällä nopeudella, pysyi mysteerinä seuraavat 60 vuotta.
Häiriöt ohuissa kalvoissa
Havaitut vaikutukset eivät rajoitu Thomas Youngin käyttämään kaksoisrakogeometriaan. Kun säteet heijastuvat ja taittuvat kahdelta pinn alta, jotka on erotettu toisistaan aallonpituuden verran, häiriöitä esiintyy ohuissa kalvoissa. Pintojen välisen kalvon roolia voivat hoitaa tyhjiö, ilma, kaikki läpinäkyvät nesteet tai kiinteät aineet. Näkyvässä valossa häiriövaikutukset rajoittuvat muutaman mikrometrin luokkaan. Tunnettu esimerkki kalvosta on saippuakupla. Siitä heijastuva valo on kahden aallon superpositio - yksi heijastuu etupinnasta ja toinen - takaa. Ne menevät päällekkäin avaruudessa ja pinoavat toistensa kanssa. Riippuen saippuan paksuudestaelokuvissa kaksi a altoa voivat olla vuorovaikutuksessa rakentavasti tai tuhoavasti. Täydellinen häiriökuvion laskelma osoittaa, että valolla, jonka aallonpituus on λ, havaitaan rakentavaa interferenssiä kalvonpaksuudella λ/4, 3λ/4, 5λ/4 jne., ja destruktiivista interferenssiä havaitaan λ/2:lla, λ, 3λ/ 2, …
Laskentakaavat
Häiriöilmiöllä on monia käyttötarkoituksia, joten on tärkeää ymmärtää asiaan liittyvät perusyhtälöt. Seuraavien kaavojen avulla voit laskea erilaisia häiriöihin liittyviä suureita kahdelle yleisimmälle häiriötapaukselle.
Kirkkaiden hapsujen sijainti Youngin kokeessa, eli alueet, joilla on rakenteellisia häiriöitä, voidaan laskea lausekkeella: ykirkas.=(λL/d)m, missä λ on aallonpituus; m=1, 2, 3, …; d on rakojen välinen etäisyys; L on etäisyys kohteeseen.
Tumien vyöhykkeiden eli tuhoavan vuorovaikutuksen alueiden sijainti määritetään kaavalla: ytumma.=(λL/d)(m+1/2).
Toisen tyyppisissä häiriöissä - ohuissa kalvoissa - rakentavan tai tuhoavan superposition läsnäolo määrittää heijastuneiden a altojen vaihesiirron, joka riippuu kalvon paksuudesta ja sen taitekertoimesta. Ensimmäinen yhtälö kuvaa tapausta, jossa tällaista siirtymää ei ole, ja toinen kuvaa puolen aallonpituuden siirtymää:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Tässä λ on aallonpituus; m=1, 2, 3, …; t on elokuvassa kuljettu polku; n on taitekerroin.
Havainto luonnossa
Kun aurinko paistaa saippuakuplalle, voidaan nähdä kirkkaita värillisiä raitoja, koska eri aallonpituuksilla on tuhoisaa häiriötä ja ne poistetaan heijastuksesta. Jäljelle jäävä heijastunut valo näyttää täydentävän kaukaisia värejä. Esimerkiksi, jos punaista komponenttia ei ole tuhoavan häiriön seurauksena, heijastus on sininen. Ohuet öljykalvot vedessä saavat aikaan samanlaisen vaikutuksen. Luonnossa joidenkin lintujen, mukaan lukien riikinkukkojen ja hummingbirdin, höyhenet ja joidenkin kovakuoriaisten kuoret näyttävät iriseviltä, mutta ne muuttavat väriä katselukulman muuttuessa. Optiikan fysiikka on tässä ohutkerroksisista rakenteista tai heijastavien sauvojen ryhmistä heijastuneiden valoa altojen interferenssiä. Samoin helmillä ja kuorilla on iiris useiden helmiäiskerrosten heijastusten päällekkäisyyden ansiosta. Jalokivissä, kuten opaalissa, on kauniita interferenssikuvioita, jotka johtuvat mikroskooppisten pallomaisten hiukkasten muodostamien säännöllisten kuvioiden valonsirontaisuudesta.
Hakemus
Valon häiriöilmiöille on monia teknisiä sovelluksia jokapäiväisessä elämässä. Kameraoptiikan fysiikka perustuu niihin. Linssien tavallinen heijastamaton pinnoite on ohut kalvo. Sen paksuus ja taittuminen on valittu tuottamaan heijastuneen näkyvän valon tuhoisia häiriöitä. Erikoistuneet pinnoitteet, jotka koostuvatuseat ohutkalvokerrokset on suunniteltu siirtämään säteilyä vain kapealla aallonpituusalueella, ja siksi niitä käytetään valosuodattimina. Monikerroksisia pinnoitteita käytetään myös tähtitieteellisten teleskooppipeilien ja laseroptisten onteloiden heijastavuuden lisäämiseen. Interferometria - tarkkoja mittausmenetelmiä, joilla havaitaan pieniä muutoksia suhteellisissa etäisyyksissä - perustuu heijastuneen valon synnyttämien tummien ja vaaleiden vyöhykkeiden siirtymien tarkkailuun. Esimerkiksi mittaamalla, kuinka häiriökuvio muuttuu, voit määrittää optisten komponenttien pintojen kaarevuuden optisen aallonpituuden murto-osina.