Doświadczenie Younga29.2 Spójność (koherencja) fal świetlnych
Podstawowym warunkiem powstania dobrze określonego obrazu
interferencyjnego jest, aby interferujące fale świetlne miały dokładnie
określoną różnicę faz φ stałą w czasie.
Przypomnijmy, że faza określa stan fali w danym miejscu i czasie.
Przykładowo, jeżeli w jakimś miejscu na ekranie różnica faz interferujących fal wynosi
π to oznacza fizycznie, że fale docierające tam wygaszają się (przy założeniu
równych amplitud); mamy ciemny prążek. I tak jest przez cały czas o
ile różnica faz nie zmieni się. Gdyby taka zmiana nastąpiła to w
tym miejscu natężenie światła nie będzie już dłużej równe zeru. Widzimy,
że warunkiem stabilności obrazu jest stałość w czasie różnicy faz
fal wychodzących ze źródeł S1 i S2. Mówimy, że te źródła są
koherentne czyli spójne
.
Jeżeli szczeliny S1 i S2 zastąpimy przez dwa niezależne źródła fal (np. żarówki) to nie otrzymamy prążków interferencyjnych, ekran będzie oświetlony prawie równomiernie. Interpretujemy to w ten sposób, że różnica faz dla fal pochodzących z niezależnych źródeł zmienia się w czasie w sposób nieuporządkowany. W jednej chwili są spełnione warunki dla maksimum za moment warunki pośrednie, a jeszcze za chwilę warunki dla minimum. I tak dla każdego punktu na ekranie wypadkowe natężenie światła jest sumą natężeń od poszczególnych źródeł. Mówimy, że te źródła są niespójne, niekoherentne.
Wynika z tego ważny wniosek, że
- Dla fal spójnych najpierw dodajemy amplitudy (uwzględniając stałą różnicę faz), a potem celem obliczenia natężenia podnosimy otrzymaną amplitudę wypadkową do kwadratu. (przypomnijmy sobie, że dla drgań harmonicznych i fal energia ~ A2).
- Dla fal niespójnych najpierw podnosimy do kwadratu amplitudy, żeby obliczyć natężenia poszczególnych fal, a dopiero potem sumujemy te natężenia celem otrzymania natężenia wypadkowego.
Na zakończenie zapamiętajmy, że zwykłe źródła światła takie jak żarówki (żarzące się włókna) dają światło niespójne bo emitujące światło atomy działają zupełnie niezależnie. Natomiast współcześnie szeroko stosowanymi źródłami światła spójnego są lasery. Szczegóły dotyczące emisji światła przez lasery jak i zasada działania lasera są omówione w dalszych wykładach.