الگوهای تداخلی نوارهای روشن یا تیره ای هستند که توسط پرتوهایی که در فاز یا خارج از فاز با یکدیگر هستند ایجاد می شوند. هنگامی که روی هم قرار می گیرند، نور و امواج مشابه در صورت منطبق شدن فازهای آنها (هم در جهت افزایش و هم در جهت کاهش) جمع می شوند، یا اگر در پادفاز باشند، یکدیگر را جبران می کنند. این پدیده ها را به ترتیب تداخل سازنده و مخرب می نامند. اگر پرتوی از تشعشعات تک رنگ، که همگی دارای طول موج یکسان هستند، از دو شکاف باریک عبور کند (این آزمایش برای اولین بار در سال 1801 توسط توماس یانگ، دانشمند انگلیسی انجام شد که به لطف او به این نتیجه رسید که ماهیت موج دارد. از نور)، دو پرتو به دست آمده را می توان روی یک صفحه مسطح هدایت کرد، که روی آن، به جای دو نقطه همپوشانی، حاشیه های تداخلی تشکیل می شود - الگویی از نواحی نور و تاریک متناوب یکنواخت. این پدیده به عنوان مثال در تمام تداخل سنج های نوری استفاده می شود.
Superposition
مشخصه تعیین کننده همه امواج برهم نهی است که رفتار امواج روی هم قرار گرفته را توصیف می کند. اصل آن این است که وقتی در فضا استاگر بیش از دو موج روی هم قرار گیرند، اغتشاش حاصل برابر است با مجموع جبری هر اختلال. گاهی اوقات این قانون برای اغتشاشات بزرگ نقض می شود. این رفتار ساده منجر به یک سری اثرات به نام پدیده تداخل می شود.
پدیده تداخل با دو حالت شدید مشخص می شود. در ماکزیمای سازنده دو موج منطبق هستند و با یکدیگر در فاز هستند. نتیجه برهم نهی آنها افزایش اثر مزاحم است. دامنه موج مخلوط حاصل با مجموع دامنه های منفرد برابر است. و برعکس، در تداخل مخرب، حداکثر یک موج با حداقل موج دوم منطبق است - آنها در پادفاز هستند. دامنه موج ترکیبی برابر است با اختلاف دامنه های اجزای تشکیل دهنده آن. در صورت مساوی بودن تداخل مخرب کامل و اغتشاش کلی محیط صفر است.
آزمایش یونگ
الگوی تداخل از دو منبع به وضوح وجود امواج همپوشانی را نشان می دهد. توماس یونگ پیشنهاد کرد که نور موجی است که از اصل برهم نهی تبعیت می کند. دستاورد آزمایشی معروف او نشان دادن تداخل سازنده و مخرب نور در سال 1801 بود. نسخه مدرن آزمایش یانگ اساساً تنها در این است که از منابع نوری منسجم استفاده می کند. لیزر به طور یکنواخت دو شکاف موازی را در یک سطح مات روشن می کند. نوری که از آنها می گذرد بر روی یک صفحه از راه دور مشاهده می شود. زمانی که عرض بین شکاف ها بسیار بیشتر ازطول موج، قوانین اپتیک هندسی رعایت می شود - دو ناحیه روشن روی صفحه قابل مشاهده است. با این حال، با نزدیک شدن شکاف ها به یکدیگر، نور پراکنده می شود و امواج روی صفحه روی یکدیگر همپوشانی دارند. پراش خود پیامد ماهیت موجی نور است و نمونه دیگری از این اثر است.
الگوی تداخل
اصل برهم نهی توزیع شدت حاصل را در صفحه روشن تعیین می کند. الگوی تداخل زمانی رخ می دهد که تفاوت مسیر از شکاف به صفحه برابر با تعداد صحیح طول موج (0، λ، 2λ، …) باشد. این تفاوت تضمین می کند که اوج ها همزمان می رسند. تداخل مخرب زمانی رخ می دهد که اختلاف مسیر یک عدد صحیح از طول موج ها باشد که به نصف جابه جا شده اند (λ/2، 3λ/2، …). یونگ از استدلال‌های هندسی استفاده کرد تا نشان دهد که برهم نهی منجر به یک سری حاشیه‌ها یا تکه‌های با شدت بالا با فاصله یکنواخت می‌شود که مربوط به مناطق تداخل سازنده است که با تکه‌های تاریک تداخل مخرب کامل از هم جدا شده‌اند.
فاصله بین سوراخ ها
یک پارامتر مهم در هندسه دو شکاف، نسبت طول موج نور λ به فاصله بین سوراخ‌ها d است. اگر λ/d بسیار کمتر از 1 باشد، در این صورت فاصله بین حاشیه ها کم خواهد بود و هیچ اثر همپوشانی مشاهده نمی شود. یونگ با استفاده از شکاف هایی با فاصله نزدیک توانست قسمت های تاریک و روشن را از هم جدا کند. بنابراین، او طول موج رنگ های نور مرئی را تعیین کرد. قدر بسیار کوچک آنها توضیح می دهد که چرا این اثرات فقط مشاهده می شونددر شرایط خاص. برای جداسازی مناطق تداخل سازنده و مخرب، فواصل بین منابع امواج نور باید بسیار کم باشد.
طول موج
مشاهده اثرات تداخل به دو دلیل دیگر چالش برانگیز است. اکثر منابع نوری طیف پیوسته ای از طول موج ها را ساطع می کنند که در نتیجه الگوهای تداخلی متعددی روی یکدیگر قرار می گیرند که هر کدام فاصله خاص خود را بین حاشیه ها دارند. این برجسته ترین اثرات، مانند مناطق تاریک مطلق را لغو می کند.
انسجام
برای اینکه تداخل در مدت زمان طولانی مشاهده شود، باید از منابع نور منسجم استفاده شود. این بدان معنی است که منابع تابش باید یک رابطه فاز ثابت را حفظ کنند. به عنوان مثال، دو موج هارمونیک با فرکانس یکسان همیشه در هر نقطه از فضا یک رابطه فاز ثابت دارند - چه در فاز، چه در پادفاز، یا در برخی از حالت های میانی. با این حال، بیشتر منابع نوری امواج هارمونیک واقعی ساطع نمی کنند. در عوض، آنها نوری را ساطع می کنند که در آن تغییرات فاز تصادفی میلیون ها بار در ثانیه رخ می دهد. چنین تشعشعی نامنسجم نامیده می شود.
منبع ایده آل لیزر است
تداخل هنوز مشاهده می شود وقتی امواج دو منبع نامنسجم در فضا قرار می گیرند، اما الگوهای تداخل به طور تصادفی همراه با یک تغییر فاز تصادفی تغییر می کنند. حسگرهای نور، از جمله چشم، نمی توانند به سرعت ثبت شوندتغییر تصویر، اما فقط شدت میانگین زمان. پرتو لیزر تقریباً تک رنگ (یعنی از یک طول موج تشکیل شده است) و بسیار منسجم است. این یک منبع نور ایده آل برای مشاهده اثرات تداخل است.
تشخیص فرکانس
بعد از سال 1802، طول موج های نور مرئی اندازه گیری شده توسط یونگ را می توان با سرعت ناکافی دقیق نور موجود در آن زمان برای تقریب فرکانس آن مرتبط دانست. به عنوان مثال، برای نور سبز حدود 6×1014 هرتز است. این مقدار بسیار بالاتر از فرکانس ارتعاشات مکانیکی است. در مقایسه، یک انسان می تواند صداهایی را با فرکانس های تا 2×104 هرتز بشنود. اینکه دقیقاً چه چیزی با چنین نرخی در نوسان بود تا 60 سال آینده یک راز باقی ماند.
تداخل در لایه های نازک
اثرات مشاهده شده محدود به هندسه شکاف دوگانه مورد استفاده توماس یانگ نیست. هنگامی که پرتوها از دو سطح که با فاصله ای قابل مقایسه با طول موج از هم جدا شده اند منعکس و شکست می شوند، تداخل در لایه های نازک رخ می دهد. نقش فیلم بین سطوح را می توان با خلاء، هوا، هر مایع شفاف یا جامد ایفا کرد. در نور مرئی، اثرات تداخل به ابعادی در حد چند میکرومتر محدود می شود. نمونه معروف فیلم حباب صابون است. نور منعکس شده از آن برهم نهفته دو موج است - یکی از سطح جلو و دومی از پشت منعکس می شود. آنها در فضا همپوشانی دارند و با یکدیگر روی هم قرار می گیرند. بسته به ضخامت صابونفیلم ها، دو موج می توانند به طور سازنده یا مخرب با هم تعامل داشته باشند. محاسبه کامل الگوی تداخل نشان می دهد که برای نور با یک طول موج λ، تداخل سازنده برای ضخامت لایه λ/4، 3λ/4، 5λ/4 و غیره، و تداخل مخرب برای λ/2 مشاهده می شود. λ، 3λ/ 2، …
فرمول‌های محاسبه
پدیده تداخل کاربردهای زیادی دارد، بنابراین درک معادلات اساسی درگیر مهم است. فرمول های زیر به شما این امکان را می دهند که مقادیر مختلف مرتبط با تداخل را برای دو مورد معمول تداخل محاسبه کنید.
موقعیت حاشیه های روشن در آزمایش یانگ، یعنی نواحی با تداخل سازنده را می توان با استفاده از عبارت: ybright.=(λL/d)m، که در آن λ محاسبه کرد. طول موج است؛ m=1، 2، 3، …; d فاصله بین شکاف ها است. L فاصله تا هدف است.
موقعیت نوارهای تاریک، به عنوان مثال مناطق تعامل مخرب، با فرمول تعیین می شود: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
برای نوع دیگری از تداخل - در لایه‌های نازک - وجود یک برهم نهی سازنده یا مخرب، تغییر فاز امواج منعکس‌شده را تعیین می‌کند که به ضخامت لایه و ضریب شکست آن بستگی دارد. معادله اول حالت عدم وجود چنین جابه‌جایی را توصیف می‌کند و دومی یک تغییر طول موج نیمه‌موج را توصیف می‌کند:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
در اینجا λ طول موج است. m=1، 2، 3، …; t مسیر طی شده در فیلم است. n ضریب شکست است.
مشاهده در طبیعت
هنگامی که خورشید بر حباب صابون می تابد، نوارهای رنگی روشن دیده می شوند زیرا طول موج های مختلف در معرض تداخل مخرب هستند و از انعکاس حذف می شوند. نور منعکس شده باقیمانده به عنوان مکمل رنگ های دور به نظر می رسد. به عنوان مثال، اگر هیچ جزء قرمز در نتیجه تداخل مخرب وجود نداشته باشد، بازتاب آبی خواهد بود. لایه های نازک روغن روی آب اثر مشابهی ایجاد می کنند. در طبیعت، پرهای برخی از پرندگان از جمله طاووس و مرغ مگس خوار و پوسته برخی از سوسک ها رنگین کمانی به نظر می رسد، اما با تغییر زاویه دید تغییر رنگ می دهد. فیزیک اپتیک در اینجا تداخل امواج نور منعکس شده از ساختارهای لایه نازک یا آرایه هایی از میله های بازتابنده است. به همین ترتیب، مرواریدها و صدف‌ها دارای عنبیه هستند که به لطف برهم‌نهی انعکاس‌های چندین لایه از مروارید است. سنگ های قیمتی مانند اوپال به دلیل پراکندگی نور از الگوهای منظم تشکیل شده توسط ذرات کروی میکروسکوپی، الگوهای تداخل زیبایی از خود نشان می دهند.
برنامه
کاربردهای تکنولوژیکی زیادی از پدیده تداخل نور در زندگی روزمره وجود دارد. فیزیک اپتیک دوربین بر اساس آنها است. پوشش معمول ضد انعکاس لنزها یک لایه نازک است. ضخامت و شکست آن برای ایجاد تداخل مخرب نور مرئی منعکس شده انتخاب شده است. پوشش های تخصصی تر متشکل ازچندین لایه از لایه‌های نازک برای انتقال تشعشع فقط در یک محدوده طول موج باریک طراحی شده‌اند و بنابراین به عنوان فیلتر نور استفاده می‌شوند. پوشش های چند لایه نیز برای افزایش بازتاب آینه های تلسکوپ های نجومی و همچنین حفره های نوری لیزری استفاده می شود. تداخل سنجی - روش های اندازه گیری دقیقی که برای تشخیص تغییرات کوچک در فواصل نسبی استفاده می شود - بر اساس مشاهده جابجایی در نوارهای تاریک و روشن ایجاد شده توسط نور منعکس شده است. به عنوان مثال، اندازه گیری نحوه تغییر الگوی تداخل به شما امکان می دهد انحنای سطوح اجزای نوری را بر حسب کسری از طول موج نوری تعیین کنید.
