Лит.:Мигулин В. В., Интерференция радиоволн, «Успехи физических наук», 1947, т. 33, в. 3.
Рис. 1. Многолепестковая диаграмма направленности антенны - результат интерференции радиоволн, излучаемых её отдельными элементами.
Рис 2. Интерференция радиоволн при их распространении вдоль поверхности Земли.
Интерференция света
Интерфере'нция све'та,сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тёмных полос вследствие нарушения принципа сложения интенсивностей (см. Интерференция волн). Некоторые явления И. с. наблюдались ещё И. Ньютоном , но не могли быть объяснены с точки зрения его корпускулярной теории (см. Свет , Оптика ). Правильное объяснение И. с. как типично волнового явления было дано в начале 19 в. Т. Юнгом и О. Френелем .
И. с. возникает только в случае, если разность фаз постоянна во времени, т. е. волны когерентны (см. Когерентность ). До создания лазеров когерентные световые пучки могли быть получены только путём разделения и последующего сведения лучей, исходящих из одного и того же источника света. При этом разность фаз этих колебаний постоянна и определяется только разностью путей, проходимых лучами, или разностью хода D. Существует несколько способов создания когерентных пучков света. Например, в опыте Френеля ( рис. 1)два плоских зеркала Iи II,образующих двугранный угол, близкий к 180°, дают два мнимых изображения S 1и S 2источника S. На экране ABполучается светлая полоса при разности хода D лучей S 1 Mи S 2 M, равной чётному числу полуволн, и тёмная полоса - при D, равной нечётному числу полуволн. Другой способ был предложен Юнгом ( рис. 2). Свет из отверстия Sпадает на экран ABс двумя отверстиями (или щелями) S 1и S 2 .И. с. наблюдается на экране CD.Расстояние между соседними светлыми или тёмными интерференционными полосами D х» l/a, где a - угол S 1 MS 2 ,под которым сходятся интерферирующие лучи. В этих опытах И. с. наблюдается только при сложении волн, испущенных из одной и той же точки источника. Интерференционные полосы, соответствующие разным точкам источника, сдвинуты относительно друг друга, и при наложении интерференционные картины смазываются. Предельный размер источника, ещё дающего чёткую интерференционную картину, определяется соотношением d= l/b, где b - угол, под которым расходятся лучи из источника (например, Р S 1 SS 2на рис. 2 ).
Это ограничение не имеет места в случае И. с., отражённого от двух поверхностей плоской или слабоклиновидной прозрачной пластинки ( рис. 3). При этом между отражёнными лучами возникает разность хода D = 2 hncos i’ў + l/2, где h -толщина пластинки, n -её показатель преломления, iў - угол преломления. Добавочная разность хода l/2 возникает из-за различия сдвига фазы при отражении от верхней и нижней поверхностей пластинки. В строго плоскопараллельных пластинках (с точностью до долей l) одинаковую разность хода будут иметь лучи, падающие на пластинку под одним и тем же углом i, а интерференционные полосы в этом случае называются полосами равного наклона. Они локализованы в бесконечности, поэтому их можно наблюдать в главной фокальной плоскости линзы. В тонких пластинках переменной толщины линии максимумов и минимумов проходят по точкам, соответствующим равной толщине пластинки, и называются полосами равной толщины. Они локализованы в плоскости пластинки. При этом данная интерференционная полоса в монохроматическом свете вычерчивает линию, соответствующую одной и той же толщине пластинки ( рис. 4). Если свет не монохроматический, происходит наложение описанных картин для различных длин волн (между собой не интерферирующих); причём положения максимумов и минимумов смещены, поэтому в случае тонкой пластинки наблюдатель видит последовательность цветных полос. Этим явлением И. с. в тонких плёнках объясняются радужная окраска пятен масла или нефти на воде, цвета побежалости на закалённых металлах и др. И. с. в тонких плёнках играет большую роль при просветлении оптики , в интерференциальных светофильтрах , в интерференциальной микроскопии и др. И. с. в тонких плёнках изучается в оптике тонких слоев .
Возможность наблюдения И. с. зависит от степени монохроматичности света. В белом свете можно наблюдать только несколько интерференционных полос вблизи D = 0, которые в этом случае окрашены, потому что положение максимумов и минимумов зависит от длины волны. Если из источника света выделена одна узкая спектральная линия, максимальная разность хода D maxможет достигать нескольких десятков см.Чёткие интерференционные полосы ещё можно наблюдать при D max» l 2/Dl, где Dl - ширина спектра. D maxможно связать со временем t, в течение которого фаза волны не сбивается, т. е. излучается волна в виде отрезка синусоиды («цуг волн»). При этом D maxоказывается равной длине цуга: D max= l 2/Dl = ct ( c- скорость света), что поясняет невозможность И. с. при D > D max, так как соответствующие цуги в двух интерферирующих пучках перестают перекрываться друг другом.
Ограничения размеров источника в приведённых выше опытах снимаются, если источником света служит излучение лазера, которое обладает пространственной когерентностью, и И. с. может наблюдаться при сложении волн, испускаемых разными точками источника. Высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет наблюдать И. с. при огромной разности хода.
При очень малых интенсивностях света, когда при помощи чувствительных приёмников регистрируются отдельные фотоны, И. с. проявляется как статистическое явление. Среднее число квантов, попавших на тот или другой участок экрана в течение определённого времени, даёт такое же распределение интенсивности, что и при обычном способе наблюдения. Это находится в полном соответствии с квантовой теорией, согласно которой И. с. происходит не в результате сложения разных фотонов, а в результате «интерференции фотона самого с собой».
И. с. имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого другого. На использовании И. с. основано действие интерферометров и интерференционных спектроскопов; метод голографии также основан на И. с.
Важный случай И. с. - интерференция поляризованных лучей (см. Поляризация света ). В общем случае, когда складываются две различно поляризованные когерентные световые волны, происходит векторное сложение их амплитуд, что приводит к эллиптической поляризации. Это явление наблюдается, например, при прохождении линейно поляризованного света через анизотропные среды. Попадая в такую среду, линейно поляризованный луч разделяется на 2 когерентных, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча. Вследствие различного состояния поляризации скорость их распространения в этой среде различна и между ними возникает разность фаз D, зависящая от расстояния, пройденного в веществе. Величина D будет определять состояние эллиптической поляризации; в частности, при D, равной целому числу полуволн, поляризация будет линейной.
Интерференцию поляризованных лучей широко используют в кристаллооптике для определения структуры и ориентации осей кристалла, в минералогии для определения минералов и горных пород, для обнаружения и исследования напряжений и деформаций в твёрдых телах, для создания особо узкополосных светофильтров и др.
Лит.:Ландсберг Г. С., Оптика. 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Вавилов С. И., Микроструктура света, ч. 2, М., 1950; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., М., 1970.
М. Д. Галанин.
Рис. 4. Типичные случаи полос равной толщины.
Рис. 3. Интерференция в плоскопараллельной пластинке.
Рис. 1. Схема опыта Френеля.
Рис. 2. Схема опыта Юнга.
Интерференция скважин
Интерфере'нция сква'жин,'взаимодействие работающих нефтяных, газовых или водяных скважин, пробурённых с поверхности на один продуктивный пласт или на разные, но гидродинамически связанные друг с другом пласты. И. с. обусловлена тем, что нефть, газ, вода подвижны, а поры продуктивных пластов, в которых они содержатся, связаны в единую систему поровых каналов и трещин. При этом скважины одинакового назначения «мешают» друг другу, перехватывая притекающую к ним жидкость (или газ). В результате дебит каждой из нескольких работающих скважин всегда меньше дебита единичной скважины при прочих равных условиях. Этот факт обусловливает принципиальную особенность разработки месторождений жидких (газообразных) полезных ископаемых: все эксплуатационные нефтяные (газовые или водяные) скважины рассматриваются только в совокупности - в их взаимодействии в общем технологическом процессе разработки. Законы И. с. изучаются специальной наукой о фильтрации - подземной газогидродинамикой.
Интерференция (физич.)
Интерфере'нцияволн, сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. И. характерна для всяких волн независимо от их природы: для волн на поверхности жидкости, упругих (например, звуковых) волн, электромагнитных (например, радиоволн или световых) волн.
Если в пространстве распространяются две волны, то в каждой точке результирующее колебание представляет собой геометрическую сумму колебаний, соответствующих каждой из складывающихся волн. Этот так называемый принцип суперпозиции соблюдается обычно с большой точностью и нарушается только при распространении волн в какой-либо среде, если амплитуда (интенсивность) волн очень велика (см. Нелинейная оптика , Нелинейная акустика ). И. волн возможна, если они когерентны (см. Когерентность ).
Простейший случай И. - сложение двух волн одинаковой частоты при совпадении направления колебаний в складывающихся волнах. В этом случае, если колебания происходят по синусоидальному (гармоническому) закону, амплитуда результирующей волны в какой-либо точке пространства
где A 1и A 2- амплитуды складывающихся волн, а j - разность фаз между ними в рассматриваемой точке. Если волны когерентны, то разность фаз j остаётся неизменной в данной точке, но может изменяться от точки к точке и в пространстве получается некоторое распределение амплитуд результирующей волны с чередующимися максимумами и минимумами. Если амплитуды складывающихся волн одинаковы: A 1= A 2, то максимальная амплитуда равна удвоенной амплитуде каждой волны, а минимальная - равна нулю. Геометрические места равной разности фаз, в частности соответствующей максимумам или минимумам, представляют собой поверхности, зависящие от свойств и расположения источников, излучающих складывающиеся волны. В случае двух точечных источников, излучающих сферические волны, эти поверхности - гиперболоиды вращения.
Другой важный случай И. - сложение двух плоских волн, распространяющихся в противоположных направлениях (например, прямой и отражённой). В этом случае получаются стоячие волны .
Среднее за период значение потока энергии в волне пропорционально квадрату амплитуды. Поэтому, как следует из выражения для результирующей амплитуды, при И. происходит перераспределение потока энергии волны в пространстве. Характерное для И. распределение амплитуд с чередующимися максимумами и минимумами остаётся неподвижным в пространстве (или перемещается столь медленно, что за время, необходимое для наблюдений, максимумы и минимумы не успевают сместиться на величину, сравнимую с расстоянием между ними) и его можно наблюдать только в случае, если волны когерентны. Если волны не когерентны, то разность фаз j быстро и беспорядочно изменяется, принимая все возможные значения, так что среднее значение cos j = 0. В этом случае среднее значение амплитуды результирующей волны оказывается одинаковым в различных точках, максимумы и минимумы размываются и интерференционная картина исчезает. Средний квадрат результирующей амплитуды при этом равен сумме средних квадратов амплитуд складывающихся волн, т. е. при сложении волн происходит сложение потоков энергии или интенсивностей.
Описанные выше основные черты явления И. в одинаковой степени относятся как к упругим, так и электромагнитным волнам. Однако в то время как в случае звуковых волн и радиоволн легко обеспечить их когерентность (например, питая разные громкоговорители или антенны одним и тем же током), когерентные световые пучки можно получить только от одного и того же источника света, применяя специальные методы. Другое существенное различие между способами осуществления И. звуковых волн и радиоволн, с одной стороны, и световых волн - с другой, связано с размерами излучателей. Размеры излучателей звуковых волн и радиоволн почти всегда сравнимы с длиной излучаемой волны, тогда как в случае световых волн обычно приходится иметь дело с источниками света, размеры которых велики по сравнению с длиной волны. Поэтому при И. световых волн существенную роль играет вопрос о протяжённости источников. В силу этих особенностей И. света можно наблюдать только в специальных условиях (подробнее см. в ст. Интерференция света ).
И. волн находит важное применение, как в научных исследованиях, так и в технике. Поскольку между длиной волны, разностью хода интерферирующих лучей и расположением максимумов и минимумов существует вполне определённая связь, можно, зная разности хода интерферирующих волн, по расположению максимумов и минимумов определить длину волны, и наоборот, зная длину волны, по расположению максимумов и минимумов определять разность хода лучей, т. е. измерять расстояния. К числу приборов, в которых используется И. волн, относятся: оптические интерферометры , радиоинтерферометры, интерференционные радиодальномеры и т. д. См. также Интерференция радиоволн.
Лит.:Элементарный учебник физики, под ред. Г. С. Ландсберга, 6 изд., т. 3, М., 1970, гл. 3; Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М.-Л., 1959; Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3).
Интерферометр
Интерферо'метр,измерительный прибор, в котором используется интерференция волн. Существуют И. для звуковых и для электромагнитных волн: оптических (ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра) и радиоволн различной длины. Применяются И. весьма широко. Так, акустические И. и радиоинтерферометры используются для измерения скорости распространения волн (акустических и радио), для измерения расстояний между двумя излучателями волн или между излучателем и отражающим телом, т. е. применяются как дальномеры. Наибольшее распространение получили оптические И., о которых пойдёт речь ниже. Они применяются для измерения длин волн спектральных линий, показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных длин, угловых размеров звёзд и пр., для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей и пр.
Принцип действия всех И. одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков (см. Когерентность ), которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина (см. Интерференция света ), вид которой, т. е. форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов, зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.
Методы получения когерентных пучков в И. очень разнообразны, поэтому существует большое число различных конструкций И. По числу интерферирующих пучков света оптические И. можно разбить на многолучевые и двухлучевые.
Примером двухлучевого И. может служить И. Майкельсона ( рис. 1 ). Параллельный пучок света источника L, попадая на полупрозрачную пластинку P 1, разделяется на пучки 1 и 2 .После отражения от зеркал M 1и M 2и повторного прохождения через пластинку P 1оба пучка попадают в объектив O 2, в фокальной плоскости Dкоторого они интерферируют. Оптическая разность хода D = 2( AC- AB) = 2 l, где l- расстояние между зеркалом M 2и мнимым изображением M 1ў зеркала M 1в пластинке P 1. Таким образом, наблюдаемая интерференционная картина эквивалентна интерференции в воздушной пластинке толщиной l. Если зеркало M 1расположено так, что M 1ў и M 2параллельны, то образуются полосы равного наклона, локализованные в фокальной плоскости объектива O 2и имеющие форму концентрических колец. Если же M 2и M 1ў образуют воздушный клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина M 2 M 1ў и представляющие собой параллельные линии.
И. Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью впервые была измерена абсолютная величина длины волны света, доказана независимость скорости света от движения Земли (см. Майкельсона опыт ). Перемещая одно из зеркал И. Майкельсона, получают возможность плавно изменять D, а зависимость интенсивности центрального пятна от D, в свою очередь, даёт возможность анализировать спектральный состав падающего излучения с разрешением 1/D см -1. На этом принципе построены Фурье-спектрометры (см. Фурье-спектроскопия ), применяющиеся для длинноволновой инфракрасной области спектра (50-1000 мкм) при решении задач физики твёрдого тела, органической химии и химии полимеров, диагностики плазмы. Впервые получено разрешение ~ 0,005 см -1в диапазоне длин волн 0,8-3,5 мкмна Фурье-спектрометре, разность хода в котором контролировалась и измерялась с помощью гелий-неонового газового лазера .
Сочетание И. Майкельсона и призменного монохроматора ( рис. 2 , а) - компаратор интерференционный Кёстерса - применяется для абсолютного и относительного измерений длин концевых мер (измерительных плиток) сравнением их с длиной волны света или между собой с точностью » 0,025 мкм, а сочетание его с лазером (при стабилизации частоты ~ 2Ч10 -9) позволяет с такой же абсолютной точностью измерять длины порядка 10 м. При замене плоских зеркал в И. Майкельсона отражающими триэдрами его используют для измерения углов с точностью до 10 -6 рад. Сочетание И. Майкельсона с микроскопом (микроинтерферометр В. П. Линника) позволяет по виду интерференционной картины определять величину и форму микронеровностей металлических поверхностей.
Существуют двухлучевые И., предназначенные для измерения показателей преломления газов и жидкостей, - интерференционные рефрактометры . Один из них - И. Жамена ( рис. 3 ). Пучок света Sпосле отражения от передней и задней поверхностей первой пластины P 1разделяется на два пучка S 1и S 2. Пройдя через кюветы K 1и K 2, пучки, отразившиеся от поверхностей пластины P 2, попадают в зрительную трубу Т, где интерферируют, образуя полосы равного наклона. Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n 1, а другая с n 2, то по смещению интерференционной картины на число полос mпо сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти D n= n 1- n 2= = ml/ l( l- длина кюветы).
Разновидностями И. Жамена являются И. Маха - Цендера и И. Рождественского ( рис. 4 ), где используются две полупрозрачные пластинки P 1и P 2и два зеркала M 1и M 2. В этих И. расстояние между пучками S 1и S 2может быть сделано очень большим, что облегчает установку в один из них различных исследуемых объектов, поэтому они широко применяются в аэрогазодинамических исследованиях.
В И. Рэлея ( рис. 5 ) интерферирующие пучки выделяются с помощью двух щелевых диафрагм D. Пройдя кюветы K 1и K 2, эти пучки собираются в фокальной плоскости объективом O 2, где образуется интерференционная картина полос равного наклона, которая рассматривается через окуляр O 3. При этом часть пучков, выходящих из диафрагм, проходит ниже кювет и образует свою интерференционную картину, расположенную ниже первой. Если показатели преломления n 1и n 2веществ в кюветах, то из-за разности хода в кюветах верхняя картина сместится относительно нижней. Измеряя величину смещения по числу полос m, можно найти D n.
Точность измерения показателей преломления с помощью интерференционных рефрактометров очень высока и достигает 7-го и даже 8-го десятичного знака.
Для измерения угловых размеров звёзд и угловых расстояний между двойными звёздами применяется звёздный И. Майкельсона ( рис. 6 ). Свет от звезды, отразившись от зеркал M 1, M 2, M 3, M 4, образует в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину. Угловое расстояние между соседними максимумами q = l/ D( рис. 6 , б). При наличии двух близких звёзд, находящихся на угловом расстоянии j, в телескопе образуются две интерференционные картины, также смещенные на угол j. Изменением Dдобиваются наихудшей видимости картины, что будет при условии j = 1/ 2q = l/2 D, откуда можно определить j.
Многолучевой И. Фабри - Перо ( рис. 7 ) состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок P 1и P 2, на обращённые друг к другу и параллельные между собой поверхности которых нанесены зеркальные покрытия с высоким (85-98%) коэффициентом отражения. Параллельный пучок света, падающий из объектива O 1, в результате многократных отражений от зеркал образует большое число параллельных, когерентных пучков с постоянной разностью хода между соседними пучками. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости Lобъектива O 2образуется интерференционная картина, имеющая форму концентрических колец с резкими интенсивными максимумами, положение которых зависит от длины волны. Поэтому И. Фабри - Перо разлагает сложное излучение в спектр. Применяется И. Фабри - Перо как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы. Специальные сканирующие И. Фабри - Перо с фотоэлектрической регистрацией используются для исследования спектров в видимой, инфракрасной и сантиметровой областях длин волн. Разновидностью И. Фабри - Перо являются оптические резонаторы лазеров , излучающая среда которых располагается между зеркалами И.
К многолучевым И. также относятся различного рода дифракционные решётки , которые используются как интерференционные спектральные приборы.
Лит.:Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., M., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Захарьевский А. Н., Интерферометры, М., 1952; Королёв Ф. А., Спектроскопия высокой разрешающей силы, М., 1953; Толанский С., Спектроскопия высокой разрешающей силы, пер. с англ., М., 1955; Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения, пер. с франц., М., 1972; Жакино П., Последние достижения интерференционной спектроскопии, «Успехи физических наук», 1962, т. 78, с. 123.
В. И. Малышев.
Рис. 5. а - схема интерферометра Рэлея; б - вид интерференционной картины.
Рис. 4. Схема интерферометра Рождественского.
Рис. 6. а - схема звёздного интерферометра Майкельсона; б - вид интерференционных картин.
Рис. 1. Схема интерферометра Майкельсона (P 2- пластинка, компенсирующая дополнительную разность хода, появляющуюся за счёт того, что луч 1 проходит дважды через пластинку P 1).
Рис. 7. Схема интерферометра Фабри - Перо (S - источник света).
Рис. 3. Схема интерферометра Жамена.
Рис. 2. а - схема интерферометра Кёстерса (обозначения те же, что в интерферометре Майкельсона; А - диспергирующая призма, К - концевая мера, S