Інтерференцію світла можна пояснити, розглядаючи інтерференцію хвиль (див. § 156). Необхідною умовою інтерференції хвиль є їх когерентність, т. Е. Узгоджене перебіг у часі і просторі декількох коливальних або хвильових процесів. Цій умові задовольняють монохроматичні хвилі - не обмежені у просторі хвилі однієї певної і строго постійної частоти. Так як ні один реальний джерело не дає строго монохроматичного світла, то хвилі, що випромінюються будь-якими незалежними джерелами світла, завжди некогерентного. Тому на досвіді не спостерігається інтерференція світла від незалежних джерел, наприклад від двох електричних лампочок.
Зрозуміти фізичну причину немонохроматичності, а отже, і некогерентности хвиль, що випускаються двома незалежними джерелами світла, можна виходячи з самого механізму випускання світла атомами. У двох самостійних джерелах світла атоми випромінюють незалежно один від одного. У кожному з таких атомів процес випромінювання кінцевий і триває дуже короткий час (т ж 10
8 с). За цей час збуджений атом повертається в нормальний стан і випромінювання їм світла припиняється. Збудившись знову, атом знову починає випускати світлові хвилі, але вже з новою початковою фазою. Так як різниця фаз між випромінюванням двох таких незалежних атомів змінюється при кожному новому акті випускання, то хвилі, спонтанно що випромінюються атомами будь-якого джерела світла, некогерентного. Таким чином, хвилі, що випускаються атомами, лише протягом інтервалу часу »10 -8 с мають приблизно постійні амплітуду і фазу коливань, тоді як за більший проміжок часу і амплітуда, і фаза змінюються. Переривчасте випромінювання світла атомами у вигляді окремих коротких імпульсів називається хвильовим цугом.
Описана модель випускання світла справедлива і для будь-якого макроскопічного джерела, так як атоми світиться тіла випромінюють світло також незалежно один від одного. Це означає, що початкові фази відповідних їм хвильових цугов не пов'язані між собою. Крім цього, навіть для одного і того ж атома початкові фази різних цугов відрізняються для двох наступних актів випромінювання. Слідчий але, світло, що випускається макроскопічними джерелом, некогерентен.
Будь немонохроматичним світло можна представити у вигляді сукупності змінюють один одного незалежних гармонійних цугов. Середня тривалість одного цуга tког називається часом когерентності. Когерентність існує тільки в межах одного цуга, і час когерентності не може перевищувати час випромінювання, т. Е. Tког Якщо хвиля поширюється в однорідному середовищі, то фаза коливань в визначено іншої точки простору зберігається лише протягом часу когерентності tког. За цей час хвиля поширюється у вакуумі на відстань lког = ctког. зване довжиною когерентності (або довжиною цуга). Таким чином, довжина когерентності є відстань, при проходженні якого дві або кілька хвиль втрачають когерентність. Звідси випливає, що спостереження інтерференції світла можливо лише при оптичних різницях ходу, менших довжини когерентності для використовуваного джерела світла. Чим ближче хвиля до монохроматичної, тим менше ширина Dw спектра її частот і, як можна показати, більше її час когерентності tког. отже, і довжина когерентності lког. Когерентність коливань, які відбуваються в одній і тій же точці простору, що визначається ступенем монохроматичности хвиль, називається тимчасової когерентністю. Поряд з тимчасової когерентністю для опису когерентних властивостей хвиль в площині, перпендикулярній напряму їх поширення, вводиться поняття просторової когерентності. Два джерела, розміри і взаємне розташування яких дозволяють (при необхідній мірі монохроматичности світла) спостерігати інтерференцію, називаються просторово-когерентними. Радіусом когерентності (або довжиною просторової когерентності) називається максимальне поперечне напрямку поширення хвилі відстань, на якому можливі прояви інтерференції. Таким чином, просторова когерентність визначається заради вусом когерентності. де l - довжина хвилі світла, j- кутовий розмір джерела. Так, мінімально можливий радіус когерентності для сонячних променів (при кутовому розмірі Сонця на Землі j »10 -2 радий і l» 0,5 мкм) складає »0,05 мм. При такому малому радіусі когерентності неможливо безпосередньо спостерігати інтерференцію сонячних променів, оскільки роздільна здатність людського ока на відстані найкращого зору становить лише 0,1 мм. Відзначимо, що перше спостереження інтерференції провів в 1802 р Т. Юнг саме з сонячним світлом, для чого він попередньо пропускав сонячні промені через дуже малий отвір в непрозорому екрані (при цьому на кілька порядків зменшувався кутовий розмір джерела світла і тим самим різко збільшувався радіус когерентності (або довжина просторової когерентності)). Припустимо, що дві монохроматичні світлові хвилі, що накладаються один на одного, збуджують в певній точці простору коливання однакового напрямку: х1 = А1 cos (wt + j1) і x2 = A2 cos (wt + j2) .Під х розуміють напруженість електричного Еілі магнітного Нполей хвилі; вектори Е і Н коливаються у взаємно перпендикулярних площинах (див. § 162). Напруженості електричного і магнітного полів підкоряються принципу суперпозиції (див. § 80 і 110). Амплітуда результуючого коливання в даній точці A 2 = A 2 l + A 2 2 + 2A1 A2 cos (j2 - j1) (див. 144.2)). Так як хвилі когерентні, то cos (j2 - j1) має постійне в часі (але своє для кожної точки простору) значення, тому інтенсивність результуючої хвилі (1 У точках простору, де cos (j2 - j1)> 0, інтенсивність I> I1 + I2. де cos (j2 - j1) <О, интенсивность I Для некогерентних хвиль різниця (j2 - j1) безперервно змінюється, тому середнє в часі значення cos (j2 - j1) дорівнює нулю, і інтенсивність результуючої хвилі скрізь однакова і при I1 = I2 дорівнює 2I1 (для когерентних хвиль при даному умови в максимумах I = 4I1 в мінімумах I = 0). Як можна створити умови, необхідні для виникнення інтерференції світлових хвиль? Для отримання когерентних світлових хвиль застосовують метод поділу хвилі, випромінюваної одним джерелом, на дві частини, які після проходження різних оптичних шляхів накладаються один на одного, і спостерігається інтерференційна картина. Нехай поділ на дві когерентні хвилі відбувається в певній точці О. До точки М, в якій спостерігається інтерференційна картина, одна хвиля в середовищі з показником заломлення n2 пройшла шлях s1, друга - в середовищі з показником заломлення n2 - шлях s2 .Якщо в точці О фаза коливань дорівнює wt, то в точці М перша хвиля порушить коливання А1 cosw (t - s1 / v1), друга хвиля - коливання А2 cosw (t - s2 / v2), де v1 = c / n1. v2 = c / n2 - відповідно фазова швидкість першої та другої хвилі. Різниця фаз коливань, порушуваних хвилями в точці М, дорівнює (Врахували, що w / с = 2pv / с = 2pl0 де l0 - довжина хвилі у вакуумі). Твір геометричній довжини sпуті світлової хвилі в даному середовищі на показник n заломлення цього середовища називається оптичною довжиною шляху L, a D = L2 - L1 - різниця оптичних довжин прохідних хвилями шляхів - називається оптичною різницею ходу. Якщо оптична різниця ходу дорівнює цілому числу довжин хвиль у вакуумі то d = ± 2pm, і коливання, що збуджуються в точці М обома хвилями, будуть відбуватися в однаковій фазі. Отже, (172.2) є умовою інтерференційного максимуму. Якщо оптична різниця ходу то d = ± (2m + 1) p, і коливання, що збуджуються в точці М обома хвилями, будуть відбуватися в протифазі. Отже, (172.3) є умовою інтерференційного мінімуму.Схожі статті