Zastosowanie interferencji światła

Dziś omówimy główne zastosowania interferencji w różnych obszarach ludzkiej działalności. Wyjaśnijmy istotę tego zjawiska i wyjaśnijmy je z punktu widzenia falowej teorii światła.

Morze, wiatr, światło

Ten nagłówek może zainspirować dobre letnie wakacje lub wakacje. Od kombinacji słów i wieje słona bryza, jasne słońce i poczucie wolności. Ale oprócz naturalnych skojarzeń, wszystkie te zjawiska mają jedną wspólną cechę: są oscylacjami pewnego rodzaju środowiska. W tym sensie wiatr stoi samotnie. Jego fale to na przemian bardziej rozrzedzone i gęstsze obszary powietrza. Takie wibracje nazywa się poprzecznymi. Oczywiście przestrzegają one praw oscylacyjnych, ale wciąż są nieco inne od innych rodzajów fal.

Powierzchnia światła i wody mają ze sobą więcej wspólnego. Takie fale są przesunięciem medium w górę i w dół, jego gęstość się nie zmienia. Dobrym obiektem modelu w tym przypadku jest wykres sinusowy lub cosinusowy. Jeśli wyobrażamy sobie, że punkt porusza się po powierzchni tych rytmicznych zmian, to będzie bardzo podobny do fali elektromagnetycznej.

W górę, w dół, do przodu

Przed rozmową interferencja światła i jego zastosowanie w technologii, najpierw musisz sobie poradzić fale elektromagnetyczne. Oscylacje pola elektromagnetycznego stanowią esencję promieni słonecznych.

Światło jest strumieniem cząstek zwanych "fotonem". Każdy foton jest pojedynczym niepodzielnym pakietem energetycznym lub kwantowym. Przesuwa się w przestrzeni, aż napotka przeszkodę. I tak szybko, jak to się stanie, mogą się zdarzyć następujące rzeczy:

• materia wchłonie foton, zabierając jego energię (zjawisko to nazywa się absorpcją);
• substancja będzie absorbować foton o tej samej długości fali i będzie promieniować nieznacznie zmodyfikowanym (jest to zjawisko rozpraszania światła);
• foton zmienia kierunek propagacji (z powodu załamania lub odbicia).

Wewnątrz pakietu energetycznego zwanego "fotonem" występuje stała oscylacja pola elektromagnetycznego. Co więcej, każdy kwant ma swoje własne cechy. Gdy foton porusza się, jego właściwości pozostają niezmienione.

Właściwości fotonów światła

Kwanty elektromagnetyczne są falami. Dlatego mają takie właściwości, jak:

• długość fali (λ);
• częstotliwość (v);
• amplituda (A);
• polaryzacja (liniowa, okrągła, eliptyczna);
• kierunek propagacji.

Długość fali a częstotliwość jest powiązana z relacją λν = c, gdzie c jest prędkością światła w pełnej próżni. Oznacza to, że te dwie wielkości są odwrotnie proporcjonalne do siebie: jeśli jedna jest znana, to druga jest bardzo łatwa do znalezienia. Jest również prawdą następujące stwierdzenie: im wyższa częstotliwość i krótsza długość fali fotonu, tym większa jest energia przenoszona przez cząstkę.

W skali fal elektromagnetycznych czerwone światło ma mniejszą częstotliwość niż niebieski. Oznacza to, że czerwone fotony są bardziej "zimne". W tym samym czasie, gorąca woda jest wskazana w kranach na czerwono, a zimna woda - w niebieskiej o wyższej energii. Oczywiście za podstawę przyjęto kolor ludzkiej skóry pod wpływem temperatury, a nie widmo elektromagnetyczne.

Spotkanie na polach elektromagnetycznych

Nieco wyżej mówiliśmy: jeśli foton napotyka przeszkodę, rozpuszcza się w substancji, traci swoją indywidualność. Ale co się stanie, gdy dwa fotony spotkają się w jednym punkcie przestrzeni?

Gdyby fikcja istniała w świecie cząstek elementarnych, wyglądałoby to tak:

"W jednym cudownym przejściu kwantowym indukowany foton postanowił opuścić wnętrze gwiazdy i oddychać świeżymi neutrinami. Przeszedł przez przestrzeń swojej galaktyki z prędkością światła i nagle spotkał się z innym takim właśnie fotonem ...

W rzeczywistości to, co dzieje się dalej, zależy od fazy, w której spotykają się dwie kwanty światła.

Gdyby dwa "garby" zeszły się w jednym punkcie, wtedy ich amplituda byłaby złożona i w tym punkcie intensywność światła podwoiłaby się. Jeśli istnieje "garb" i "pusty", to ich interakcja zgasi światło, w wyniku czego powstanie zerowa moc. Z inną różnicą faz będą pośrednie poziomy oświetlenia.

Zakłócenia i dyfrakcja

To, co już powiedzieliśmy, jest jak opowieść od końca. Wszyscy już wiedzą, co się stanie, więc odważnie wejdź w istotę fotonów. Ale zanim nikt nie podejrzewał, że światło - fala. I tak trwało, dopóki nie przeprowadzono eksperymentów z ingerencją.

Jeśli płaska wiązka równoległych promieni zostanie skierowana do szczeliny w ścianie, wynik nie będzie równy pasowi światła, ale rządowi białych i czarnych wstążek rozbieżnych jak wentylator. Dzieje się tak, ponieważ światło ma zdolność poruszania się po krawędzi przeszkody. I w trakcie pokonywania szczeliny promieni zmienił kierunek rozprzestrzeniania. Oznacza to, że w pewnym momencie w przestrzeni krzyżowali się z innymi promieniami, a na wyjściu tworzyli różne fazy. Dlatego zastosowanie interferencji i dyfrakcja światła często się pokrywają.

Teoretyczne znaczenie interferencji

Różne rodzaje otworów dają odmienne obrazy. W eksperymencie opisanym powyżej możesz zmienić szerokość szczeliny, dodać kolejną dziurę, zrobić okrągłą, kwadratową itd. Ostateczny obraz powie ci, gdzie fale się spotkały i jaki kąt odchyliły od pierwotnego kierunku propagacji. Definicja falowych właściwości światła jest pierwszym zastosowaniem ingerencji w inżynierię i naturę.

Proste trudne

Jak stworzyć płaską powierzchnię? To pytanie zadali inżynierowie starożytnych faraonów. Ale teraz nie jest to takie łatwe zadanie. Niektóre urządzenia wykorzystują szklane płytki. I powinny być bardzo gładkie. Aby sprawdzić jakość gotowego produktu, umieszcza się na nim kolejną podobną płytkę, a strukturę umieszcza się w strumieniu równoległych promieni świetlnych. Jeśli prążki interferencyjne są wyrównane w równych rzędach, powierzchnie są płaskie. Jeśli taśmy gdzieś zginają się lub pękają, produkt nie nadaje się do wykonywania swoich zadań.

Interferometry

Mierzyć dokładność określonych odległości i określać utworzone samoloty. Nazywa się to "interferometrem". Zasada działania jest bardzo prosta: promieniowanie monochromatyczne dzieli się przez szereg urządzeń optycznych na dwie równoległe wiązki. Po drodze jednego z nich mierzony obiekt jest kładziony, drugi przechodzi bez przeszkód. Obraz minimów i maksimów iluminacji ujawni niedokładności i określi różnicę w przebiegu promieni.

Kolor i światło

Ale do tego momentu we wszystkich opisanych powyżej eksperymentach zakładano, że występują te same fale. Oznacza to, że ich częstotliwość i amplituda są zbieżne, tylko fazy różnią się. Ale w naturze nie ma absolutnie czystego promieniowania monochromatycznego. Każde prawdziwe źródło światła daje cały szereg długości fal, a ich amplitudy mogą być różne. Ale nawet w obecności naturalnego światła występuje interferencja. Tylko zamiast jasnych i ciemnych obszarów będą wyświetlane różne kolory.

Benzyna i natura

Wykorzystanie ingerencji w naturę można znaleźć głównie na cienkich powłokach. Z pewnością wszyscy widzieli, że film z benzyną na powierzchni kałuży mieni się tęczą w słoneczny dzień. Jest to konsekwencja interferencji i dyfrakcji światła białego. Promienie słoneczne zawierają wszystkie długości fal. Ale dostają się do oczu osoby chaotycznie, bez żadnego porządku. Kiedy cienka warstwa lekkiej materii pojawia się na powierzchni wody, w kilku atomach, rozprzestrzenia się nierównomiernie. Gdzieś na wysokości pokrywy będzie więcej, gdzieś - mniej. W przypadku światła następują następujące zmiany:

• odbijają się od górnej powierzchni filmu;
• odbijają się od dolnej powierzchni filmu;
• znajdują się przy wyjściu z filmu.

Naturalnie, ze szczególną grubością powłoki dla fal o różnych długościach, zostanie utworzony inny wzór różnicy faz. I tylko niektóre kwanty światła spotkają się z maksimami. W tym samym czasie ludzkie oko zobaczy fale tego samego koloru.

Zjawisko to łączy odbicie, interferencję i dyfrakcję.

Pióra, membrany, muszle

Natura kocha różnorodność. W tym kolory ich obwodów. Ale kombinacja pigmentów jest ograniczona, ale przepełnienie folii zapewnia szerokie pole do eksperymentów. Zakłócenia w filmach dają kolor:

• skrzydła motyli i chrząszczy;
• oczy pająka;
• ptasie pióra;
• wewnętrzne powierzchnie muszli i pereł;
• łuski niektórych węży, żab, jaszczurek;
• membrany nasion niektórych roślin.

Jest nawet ciekawy przypadek, w którym jeden przedsiębiorca chciał uzyskać niesamowitą niebieską farbę ze skrzydeł nowo odkrytych tropikalnych motyli. Ale proszek zawsze pozostał brązowo-szary. W rezultacie przedsiębiorca zbankrutował, ale nie zrozumiał, że skrzydła rzadkich piękności pokrywają specjalne pryzmaty, które odbijają tylko jeden kolor, niebieski. I niszcząc te kruche struktury, stracił wspaniałą farbę.