Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
Невозможность визуального наблюдения интерференционных полос от независимых источников света можно пояснить на примере идеализированных источников, излучающих квазимонохроматический свет. Такой свет представляется колебаниями вида (26.3), в которых, однако, амплитуды ах, а2 и фазы (P1, ф2 медленно и хаотически меняются во времени, т. е. испытывают заметные изменения за времена, очень большие по сравнению с периодом T самих световых колебаний. Примером может служить излучение изолированного атома. Возбужденный атом испускает ряд или, как принято говорить, цуг волн в течение времени тизл, характерная длительность которого порядка IO"8 с (см. § 89). В таком цуге содержится 10е—IO8 волн. За время тпзл атом «высвечивается» и'переходит в невозбужденное состояние. В результате различных процессов, например столкновений с другими атомами или ударов электронов, атом может снова вернуться в возбужденное состояние, а затем начать излучать новый цуг волн. Таким образом, получится после-довательность'цугов,испускаемых атомом через малые и нерегулярно меняющиеся промежутки времени. Пусть теперь на экран попадают излучения от двух независимых атомов. При наложении двух цугов, излучаемых этими атомами, на экране получится какая-то картина интерференционных полос. Положение полос определяется разностью фаз между колебаниями обоих цугов. А такая разность фаз быстро и беспорядочно меняется от одной пары цугов к следующей. В течение секунды десятки и сотни миллионов раз или чаще одна система интерференционных полос будет сменяться другой. Глаз или другой приемник света не в состоянии следить за этой быстрой сменой интерференционных картин и фиксирует только равномерную освещенность экрана.
Смещение интерференционных полос при замене одной пары цугов другой происходить не будет, если у этих цугов начальные фазы S1 и S2 хотя и меняются нерегулярно во времени; но одинаково. Действительно, в этом случае 62 — S1 = 0 и, как видно из (26.11), разность фаз складываемых колебаний ф2 — Cf1' содержит только слагаемое Kf, регулярно меняющееся в пространстве. Чтобы этою достигнуть, надо излучение от одного и того же источника расщепить на два или несколько пучков и заставить их попадать на э сран различными путями. Если при этом будут накладываться пучки, 198
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
ІГЛ. III
полученные из одного и того же цуга, то интерференционные полосы на экране будут сохранять свое положение и глаз зафиксирует устойчивую (неподвижную) интерференционную картину. Некоторые опыты, основанные на таком принципе, будут описаны в следующем параграфе.
11. Отметим, что нет принципиальных запретов на возможность получения интерференции от двух независимых источников света. Такая возможность определяется уровнем техники генерирования и приема излучения. Еще в 1947 г. Г. С. Горелик (1906—1957) предлагал осуществить гетеродинирование, или демодуляцию видимого света. В видимом свете можно выделить дублеты или мультиплеты, т. е. сложные спектральные линии, состоящие из двух или нескольких одиночных спектральных линий с разностями частот V1 — V2 порядка IO9 — IO10 Гц. По идее Горелика такой свет должен падать на катод фотоэлемента (а еще лучше фотоумножителя). Если верно предположение, что мгновенный фототок пропорционален квадрату напряженности результирующего электрического поля, то его можно представить в виде
S = A (E1 + E2Y = A (Щ +El + 2E1E2),
где E1 и E2 — напряженности электрического поля, соответствующие частотам V1 и v2, а А — постоянная прибора. В этом выражении слагаемое 2A (E1E2) содержит составляющую с разностной частотой V1 — v2. Частоте V1 — V2 ~ IO10 Гц соответствует длина волны X ~ 3 см, лежащая в микроволновой области радиоволн. Ее можно усилить радиотехническими средствами и сделать доступной наблюдению. Тем самым биения интенсивности, возникающие при наложении пучков света от двух источников, превратятся в колебания электрического тока.
Для осуществления опыта в принципе безразлично, испускаются' ли волны с частотами V1 и V2 одним источником или двумя независимыми источниками света. Трудность опыта состоит в том, что на выделяемый, сигнал разностной частоты V1 — Va накладывается «шум», интенсивность которого превосходит интенсивность сигнала примерно в IO4 раз. Эта трудность была преодолена в 1955 г. Фор-рестором и его сотрудниками. Источником света служила яркая одиночная зеленая линия ртути X = 546,1 нм, расщеплявшаяся в магнитном поле (эффект Зеемана). Применялся фотоэлемент с сурьм.яно-цезиевым катодом. Положительный результат опыта доказывает, что если и существует запаздывание выхода электронов с поверхности фотокатода по сравнению с попаданием на нее фотонов, то оно значительно меньше IO"10 с.
С изобретением лазеров техника эксперимента получила источники света столь высокой степени монохроматичности, что наблюдение интерференционных максимумов и минимумов от двух неза- § 27] КЛАССИЧЕСКИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ОПЫТЫ 199
висимых лазеров с помощью надлежащих приемников света (например, тех же фотоэлементов) стало сравнительно легко осуществимой экспериментальной работой.
