Mẫu giao thoa là các dải sáng hoặc tối do các chùm sáng tạo ra cùng pha hoặc lệch pha với nhau. Khi xếp chồng lên nhau, các sóng ánh sáng và các sóng tương tự cộng lại nếu pha của chúng trùng nhau (theo cả hướng tăng và giảm), hoặc chúng bù trừ cho nhau nếu chúng ở trạng thái phản sóng. Những hiện tượng này lần lượt được gọi là giao thoa xây dựng và giao thoa triệt tiêu. Nếu một chùm bức xạ đơn sắc có cùng bước sóng đi qua hai khe hẹp (thí nghiệm được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1801 bởi Thomas Young, một nhà khoa học người Anh, người đã đưa ra kết luận về bản chất của sóng của ánh sáng), hai chùm tia tạo thành có thể được hướng trên một màn hình phẳng, trên đó, thay vì hai điểm trùng nhau, các vân giao thoa được hình thành - một dạng vân của các vùng sáng và tối xen kẽ đều nhau. Ví dụ, hiện tượng này được sử dụng trong tất cả các giao thoa kế quang học.
Chồng
Đặc tính xác định của tất cả các sóng là chồng chất, mô tả hành vi của các sóng chồng lên nhau. Nguyên tắc của nó là khi ở trong không gianNếu có nhiều hơn hai sóng được xếp chồng lên nhau, thì nhiễu loạn thu được bằng tổng đại số của các nhiễu loạn riêng lẻ. Đôi khi quy tắc này bị vi phạm đối với các nhiễu loạn lớn. Hành vi đơn giản này dẫn đến một loạt các hiệu ứng được gọi là hiện tượng giao thoa.
Hiện tượng giao thoa được đặc trưng bởi hai trường hợp cực đoan. Trong cực đại xây dựng của hai sóng trùng nhau và chúng cùng pha với nhau. Kết quả của sự chồng chất của chúng là sự gia tăng hiệu ứng nhiễu loạn. Biên độ của sóng hỗn hợp thu được bằng tổng của các biên độ riêng. Và ngược lại, trong giao thoa triệt tiêu, cực đại của một sóng trùng với cực tiểu của sóng thứ hai - chúng ở dạng phản sóng. Biên độ của sóng tổng hợp bằng hiệu giữa biên độ của các phần thành phần của nó. Trong trường hợp chúng bằng nhau, thì nhiễu triệt tiêu hoàn toàn và tổng nhiễu của phương tiện bằng 0.
Thử nghiệm của Jung
Hình ảnh giao thoa từ hai nguồn cho thấy rõ ràng sự có mặt của các sóng trùng nhau. Thomas Jung cho rằng ánh sáng là sóng tuân theo nguyên tắc chồng chất. Thành tựu thí nghiệm nổi tiếng của ông là chứng minh sự giao thoa ánh sáng có tính xây dựng và triệt tiêu vào năm 1801. Phiên bản hiện đại của thí nghiệm Young chỉ khác ở chỗ nó sử dụng các nguồn sáng kết hợp. Tia laser chiếu sáng đồng đều hai khe song song trên một bề mặt mờ đục. Ánh sáng đi qua chúng được quan sát trên một màn hình từ xa. Khi chiều rộng giữa các khe lớn hơn nhiềubước sóng, các quy luật của quang hình học được quan sát - trên màn hình có thể nhìn thấy hai vùng được chiếu sáng. Tuy nhiên, khi các khe tiếp cận nhau, ánh sáng bị nhiễu xạ và các sóng trên màn hình chồng lên nhau. Bản thân nhiễu xạ là hệ quả của bản chất sóng của ánh sáng và là một ví dụ khác về hiệu ứng này.
Mẫu giao thoa
Nguyên tắc chồng chất xác định sự phân bố cường độ kết quả trên màn hình được chiếu sáng. Hình ảnh giao thoa xảy ra khi hiệu số đường đi từ khe đến màn bằng một số nguyên bước sóng (0, λ, 2λ, …). Sự khác biệt này đảm bảo rằng các mức cao đến cùng một lúc. Giao thoa triệt tiêu xảy ra khi hiệu số đường đi là một số nguyên bước sóng dịch chuyển một nửa (λ / 2, 3λ / 2, …). Jung đã sử dụng các lập luận hình học để chỉ ra rằng sự chồng chất dẫn đến một loạt các vân hoặc mảng cách đều nhau có cường độ cao tương ứng với các vùng giao thoa xây dựng được phân tách bằng các mảng tối của giao thoa triệt tiêu toàn bộ.
Khoảng cách giữa các lỗ
Một tham số quan trọng của hình học khe kép là tỉ số giữa bước sóng ánh sáng λ với khoảng cách giữa các lỗ d. Nếu λ / d nhỏ hơn 1 nhiều thì khoảng cách giữa các vân sẽ nhỏ và không quan sát thấy hiệu ứng chồng lấp. Bằng cách sử dụng các khe có khoảng cách gần nhau, Jung đã có thể phân tách vùng tối và vùng sáng. Do đó, ông đã xác định được bước sóng của màu sắc của ánh sáng nhìn thấy. Độ lớn cực kỳ nhỏ của chúng giải thích tại sao những hiệu ứng này chỉ được quan sátdưới một số điều kiện nhất định. Để phân tách các vùng giao thoa xây dựng và giao thoa triệt tiêu, khoảng cách giữa các nguồn sóng ánh sáng phải rất nhỏ.
Bước sóng
Việc quan sát các hiệu ứng nhiễu là một thách thức vì hai lý do khác. Hầu hết các nguồn sáng phát ra quang phổ liên tục có bước sóng, dẫn đến nhiều vân giao thoa chồng lên nhau, mỗi vân có khoảng cách riêng giữa các vân. Điều này loại bỏ các hiệu ứng rõ rệt nhất, chẳng hạn như các khu vực hoàn toàn tối.
Mạch lạc
Để quan sát được giao thoa trong một thời gian dài, phải sử dụng nguồn sáng kết hợp. Điều này có nghĩa là các nguồn bức xạ phải duy trì mối quan hệ pha không đổi. Ví dụ, hai sóng điều hòa cùng tần số luôn có mối quan hệ pha cố định tại mỗi điểm trong không gian - cùng pha, hoặc ngược pha, hoặc ở một trạng thái trung gian nào đó. Tuy nhiên, hầu hết các nguồn sáng không phát ra sóng điều hòa thực sự. Thay vào đó, chúng phát ra ánh sáng trong đó sự thay đổi pha ngẫu nhiên xảy ra hàng triệu lần mỗi giây. Bức xạ như vậy được gọi là không mạch lạc.
Nguồn lý tưởng là tia laser
Giao thoa vẫn được quan sát khi chồng sóng của hai nguồn không kết hợp trong không gian, nhưng các dạng giao thoa thay đổi ngẫu nhiên, cùng với sự dịch chuyển pha ngẫu nhiên. Cảm biến ánh sáng, bao gồm cả mắt, không thể đăng ký nhanh chóngthay đổi hình ảnh, nhưng chỉ cường độ trung bình theo thời gian. Chùm tia laze gần như đơn sắc (tức là bao gồm một bước sóng) và có tính kết hợp cao. Đây là nguồn sáng lý tưởng để quan sát các hiệu ứng giao thoa.
Dò tìm tần số
Sau năm 1802, bước sóng ánh sáng khả kiến đo được của Jung có thể liên quan đến tốc độ ánh sáng không đủ chính xác vào thời điểm đó để tính gần đúng tần số của nó. Ví dụ, đối với ánh sáng xanh lục, nó là khoảng 6 × 1014Hz. Đây là cường độ cao hơn nhiều bậc so với tần số dao động cơ học. Để so sánh, con người có thể nghe thấy âm thanh có tần số lên đến 2 × 104Hz. Chính xác điều gì đã biến động với tốc độ như vậy vẫn là một bí ẩn trong 60 năm tới.
Sự cản trở trong màng mỏng
Các hiệu ứng quan sát được không giới hạn đối với hình học khe kép được Thomas Young sử dụng. Khi tia phản xạ và tia khúc xạ từ hai bề mặt cách nhau một khoảng bằng bước sóng thì trong màng mỏng xảy ra hiện tượng giao thoa. Vai trò của màng giữa các bề mặt có thể được thực hiện bởi chân không, không khí, bất kỳ chất lỏng hoặc chất rắn trong suốt nào. Trong ánh sáng nhìn thấy, các hiệu ứng giao thoa được giới hạn trong các kích thước khoảng vài micromet. Một ví dụ nổi tiếng về phim là bong bóng xà phòng. Ánh sáng phản xạ từ nó là sự chồng chất của hai sóng - một sóng được phản xạ từ bề mặt phía trước và sóng thứ hai - từ phía sau. Chúng chồng lên nhau trong không gian và xếp chồng lên nhau. Tùy thuộc vào độ dày của xà phòngphim, hai sóng có thể tương tác xây dựng hoặc triệt tiêu. Tính toán đầy đủ về hình thức giao thoa cho thấy rằng đối với ánh sáng có một bước sóng λ, giao thoa cấu tạo được quan sát đối với độ dày màng λ / 4, 3λ / 4, 5λ / 4, v.v. và giao thoa triệt tiêu được quan sát đối với λ / 2, λ, 3λ / 2,…
Công thức tính
Hiện tượng giao thoa có nhiều cách sử dụng, vì vậy điều quan trọng là phải hiểu các phương trình cơ bản liên quan. Các công thức sau đây cho phép bạn tính toán các đại lượng khác nhau liên quan đến giao thoa cho hai trường hợp giao thoa phổ biến nhất.
Vị trí của các vân sáng trong thí nghiệm của Young, tức là các vùng có giao thoa xây dựng, có thể được tính bằng biểu thức: yvân sáng.=(λL / d) m, trong đó λ là bước sóng; m=1, 2, 3,…; d là khoảng cách giữa các khe; L là khoảng cách tới mục tiêu.
Vị trí của các dải tối, tức là các vùng tương tác triệt tiêu, được xác định theo công thức: ydark.=(λL / d) (m + 1/2).
Đối với một loại giao thoa khác - trong các màng mỏng - sự hiện diện của chồng chất xây dựng hoặc phá hủy xác định độ lệch pha của sóng phản xạ, điều này phụ thuộc vào độ dày của màng và chiết suất của nó. Phương trình đầu tiên mô tả trường hợp không có sự dịch chuyển như vậy và phương trình thứ hai mô tả sự dịch chuyển nửa bước sóng:
2nt=mλ;
2nt=(m + 1/2) λ.
Ở đây λ là bước sóng; m=1, 2, 3,…; t là đường đi trong phim; n là chiết suất.
Quan sát trong tự nhiên
Khi mặt trời chiếu vào bong bóng xà phòng, có thể nhìn thấy các dải sáng màu vì các bước sóng khác nhau bị can thiệp triệt tiêu và bị loại bỏ khỏi phản xạ. Ánh sáng phản xạ còn lại xuất hiện như bổ sung cho các màu ở xa. Ví dụ, nếu không có thành phần màu đỏ là kết quả của giao thoa triệt tiêu, thì phản xạ sẽ có màu xanh lam. Các màng dầu mỏng trên nước cũng tạo ra hiệu ứng tương tự. Trong tự nhiên, lông của một số loài chim, bao gồm cả chim công và chim ruồi, và vỏ của một số loài bọ cánh cứng có vẻ óng ánh, nhưng đổi màu khi góc nhìn thay đổi. Vật lý của quang học ở đây là sự giao thoa của các sóng ánh sáng phản xạ từ các cấu trúc phân lớp mỏng hoặc các mảng của các thanh phản xạ. Tương tự, ngọc trai và vỏ trai có mống mắt, nhờ sự chồng chất của phản xạ từ nhiều lớp xà cừ. Các loại đá quý như opal thể hiện các kiểu giao thoa tuyệt đẹp do sự tán xạ ánh sáng từ các dạng thông thường được hình thành bởi các hạt hình cầu cực nhỏ.
Đơn
Hiện tượng giao thoa ánh sáng có rất nhiều ứng dụng công nghệ trong cuộc sống hàng ngày. Vật lý của quang học máy ảnh dựa trên chúng. Lớp phủ chống phản xạ thông thường của ống kính là một lớp màng mỏng. Độ dày và khúc xạ của nó được chọn để tạo ra sự giao thoa triệt tiêu của ánh sáng nhìn thấy được phản xạ. Các lớp phủ chuyên dụng hơn bao gồmmột số lớp màng mỏng được thiết kế để chỉ truyền bức xạ trong một dải bước sóng hẹp và do đó, được sử dụng làm bộ lọc ánh sáng. Các lớp phủ nhiều lớp cũng được sử dụng để tăng khả năng phản xạ của gương kính viễn vọng thiên văn, cũng như các hốc quang học laser. Giao thoa kế - phương pháp đo chính xác được sử dụng để phát hiện những thay đổi nhỏ trong khoảng cách tương đối - dựa trên việc quan sát sự thay đổi trong các dải sáng tối do ánh sáng phản xạ tạo ra. Ví dụ: việc đo mức độ thay đổi của mẫu giao thoa cho phép bạn xác định độ cong của bề mặt của các thành phần quang học theo phần nhỏ của bước sóng quang.
