Pola interferensi adalah pita terang atau gelap yang disebabkan oleh berkas-berkas yang sefase atau tidak sefase satu sama lain. Ketika ditumpangkan, cahaya dan gelombang serupa bertambah jika fasenya bertepatan (keduanya dalam arah naik dan turun), atau mereka saling mengimbangi jika berada di antifase. Fenomena ini masing-masing disebut interferensi konstruktif dan destruktif. Jika seberkas radiasi monokromatik, yang semuanya memiliki panjang gelombang yang sama, melewati dua celah sempit (percobaan pertama kali dilakukan pada tahun 1801 oleh Thomas Young, seorang ilmuwan Inggris yang, berkat dia, sampai pada kesimpulan tentang sifat gelombang. cahaya), dua sinar yang dihasilkan dapat diarahkan pada layar datar, di mana, alih-alih dua titik yang tumpang tindih, pinggiran interferensi terbentuk - pola area terang dan gelap yang bergantian secara merata. Fenomena ini digunakan, misalnya, di semua interferometer optik.
Superposisi
Karakteristik yang menentukan dari semua gelombang adalah superposisi, yang menggambarkan perilaku gelombang yang ditumpangkan. Prinsipnya adalah ketika di luar angkasaJika lebih dari dua gelombang ditumpangkan, maka gangguan yang dihasilkan sama dengan jumlah aljabar dari gangguan individu. Terkadang aturan ini dilanggar untuk gangguan besar. Perilaku sederhana ini menyebabkan serangkaian efek yang disebut fenomena interferensi.
Fenomena interferensi ditandai oleh dua kasus ekstrim. Dalam maksima konstruktif dari dua gelombang bertepatan, dan mereka berada dalam fase satu sama lain. Hasil dari superposisi mereka adalah peningkatan efek perturbing. Amplitudo gelombang campuran yang dihasilkan sama dengan jumlah amplitudo individu. Dan, sebaliknya, dalam interferensi destruktif, maksimum satu gelombang bertepatan dengan minimum yang kedua - mereka berada di antifase. Amplitudo gelombang gabungan sama dengan perbedaan antara amplitudo bagian-bagian komponennya. Dalam kasus ketika mereka sama, interferensi destruktif selesai, dan gangguan total medium adalah nol.
Eksperimen Jung
Pola interferensi dari dua sumber jelas menunjukkan adanya gelombang yang tumpang tindih. Thomas Jung mengemukakan bahwa cahaya adalah gelombang yang mematuhi prinsip superposisi. Prestasi eksperimentalnya yang terkenal adalah demonstrasi interferensi cahaya yang konstruktif dan destruktif pada tahun 1801. Versi modern dari eksperimen Young pada dasarnya hanya berbeda karena menggunakan sumber cahaya yang koheren. Laser secara seragam menerangi dua celah paralel di permukaan buram. Cahaya yang melewati mereka diamati pada layar jarak jauh. Ketika lebar antara slot jauh lebih besar daripanjang gelombang, aturan optik geometris diamati - dua area yang diterangi terlihat di layar. Namun, saat celah saling mendekat, cahaya terdifraksi, dan gelombang pada layar saling tumpang tindih. Difraksi itu sendiri adalah konsekuensi dari sifat gelombang cahaya dan merupakan contoh lain dari efek ini.
Pola interferensi
Prinsip superposisi menentukan distribusi intensitas yang dihasilkan pada layar yang diterangi. Pola interferensi terjadi jika perbedaan lintasan dari celah ke layar sama dengan bilangan bulat panjang gelombang (0,, 2λ, …). Perbedaan ini memastikan bahwa harga tertinggi tiba pada waktu yang sama. Interferensi destruktif terjadi ketika perbedaan jalur adalah bilangan bulat dari panjang gelombang yang digeser setengahnya (λ/2, 3λ/2, …). Jung menggunakan argumen geometris untuk menunjukkan bahwa superposisi menghasilkan serangkaian fringe dengan jarak yang sama atau tambalan intensitas tinggi yang sesuai dengan area interferensi konstruktif yang dipisahkan oleh tambalan gelap interferensi destruktif total.
Jarak antar lubang
Parameter penting dari geometri celah ganda adalah rasio panjang gelombang cahaya dengan jarak antar lubang d. Jika /d jauh lebih kecil dari 1, maka jarak antara pinggiran akan menjadi kecil dan tidak ada efek tumpang tindih yang akan diamati. Dengan menggunakan celah yang berdekatan, Jung mampu memisahkan area gelap dan terang. Dengan demikian, ia menentukan panjang gelombang warna cahaya tampak. Besarnya yang sangat kecil menjelaskan mengapa efek ini hanya diamatidalam kondisi tertentu. Untuk memisahkan daerah interferensi konstruktif dan destruktif, jarak antara sumber gelombang cahaya harus sangat kecil.
Panjang gelombang
Mengamati efek interferensi merupakan tantangan karena dua alasan lainnya. Sebagian besar sumber cahaya memancarkan spektrum panjang gelombang yang berkesinambungan, menghasilkan beberapa pola interferensi yang saling tumpang tindih, masing-masing dengan jarak antar pinggirannya sendiri. Ini membatalkan efek yang paling menonjol, seperti area kegelapan total.
Koherensi
Agar interferensi dapat diamati dalam jangka waktu yang lama, sumber cahaya yang koheren harus digunakan. Ini berarti bahwa sumber radiasi harus menjaga hubungan fase yang konstan. Misalnya, dua gelombang harmonik dengan frekuensi yang sama selalu memiliki hubungan fase tetap pada setiap titik dalam ruang - baik dalam fase, atau dalam antifase, atau dalam beberapa keadaan antara. Namun, sebagian besar sumber cahaya tidak memancarkan gelombang harmonik sejati. Sebaliknya, mereka memancarkan cahaya di mana perubahan fase acak terjadi jutaan kali per detik. Radiasi seperti ini disebut inkoheren.
Sumber yang ideal adalah laser
Interferensi masih diamati ketika gelombang dari dua sumber yang tidak koheren ditumpangkan di ruang angkasa, tetapi pola interferensi berubah secara acak, bersama dengan pergeseran fase acak. Sensor cahaya, termasuk mata, tidak dapat mendaftar dengan cepatmengubah gambar, tetapi hanya intensitas waktu rata-rata. Sinar laser hampir monokromatik (yaitu, terdiri dari satu panjang gelombang) dan sangat koheren. Ini adalah sumber cahaya yang ideal untuk mengamati efek interferensi.
Deteksi frekuensi
Setelah tahun 1802, panjang gelombang cahaya tampak yang diukur Jung dapat dikaitkan dengan kecepatan cahaya yang tersedia pada saat itu tidak cukup tepat untuk memperkirakan frekuensinya. Misalnya, untuk lampu hijau sekitar 6×1014 Hz. Ini banyak urutan besarnya lebih tinggi dari frekuensi getaran mekanis. Sebagai perbandingan, manusia dapat mendengar suara dengan frekuensi hingga 2×104 Hz. Apa sebenarnya yang berfluktuasi pada tingkat seperti itu tetap menjadi misteri selama 60 tahun ke depan.
Interferensi pada film tipis
Efek yang diamati tidak terbatas pada geometri celah ganda yang digunakan oleh Thomas Young. Ketika sinar dipantulkan dan dibiaskan dari dua permukaan yang dipisahkan oleh jarak yang sebanding dengan panjang gelombang, interferensi terjadi pada film tipis. Peran film antara permukaan dapat dimainkan oleh vakum, udara, cairan atau padatan transparan. Dalam cahaya tampak, efek interferensi terbatas pada dimensi orde beberapa mikrometer. Contoh film yang terkenal adalah gelembung sabun. Cahaya yang dipantulkan darinya adalah superposisi dua gelombang - satu dipantulkan dari permukaan depan, dan yang kedua - dari belakang. Mereka tumpang tindih dalam ruang dan menumpuk satu sama lain. Tergantung pada ketebalan sabunfilm, dua gelombang dapat berinteraksi secara konstruktif atau destruktif. Perhitungan lengkap pola interferensi menunjukkan bahwa untuk cahaya dengan satu panjang gelombang, interferensi konstruktif diamati untuk ketebalan film /4, 3λ/4, 5λ/4, dll., dan interferensi destruktif diamati untuk /2,, 3λ/ 2, …
Rumus untuk perhitungan
Fenomena interferensi memiliki banyak kegunaan, jadi penting untuk memahami persamaan dasar yang terlibat. Rumus berikut memungkinkan Anda menghitung berbagai besaran yang terkait dengan interferensi untuk dua kasus interferensi yang paling umum.
Lokasi pinggiran terang dalam percobaan Young, yaitu daerah dengan interferensi konstruktif, dapat dihitung dengan menggunakan ekspresi: ybright.=(λL/d)m, di mana adalah panjang gelombang; m=1, 2, 3, …; d adalah jarak antar slot; L adalah jarak ke target.
Lokasi pita gelap, yaitu area interaksi destruktif, ditentukan oleh rumus: ygelap.=(λL/d)(m+1/2).
Untuk jenis interferensi lain - dalam film tipis - adanya superposisi konstruktif atau destruktif menentukan pergeseran fase gelombang yang dipantulkan, yang bergantung pada ketebalan film dan indeks biasnya. Persamaan pertama menjelaskan kasus tidak adanya pergeseran seperti itu, dan persamaan kedua menjelaskan pergeseran setengah panjang gelombang:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2).
Di sini adalah panjang gelombang; m=1, 2, 3, …; t adalah jalur yang dilalui dalam film; n adalah indeks bias.
Pengamatan di alam
Saat matahari menyinari gelembung sabun, pita berwarna cerah dapat dilihat karena panjang gelombang yang berbeda tunduk pada interferensi destruktif dan dihilangkan dari pantulan. Cahaya yang dipantulkan yang tersisa muncul sebagai pelengkap warna yang jauh. Misalnya, jika tidak ada komponen merah akibat interferensi destruktif, maka pantulannya akan berwarna biru. Lapisan tipis minyak di atas air menghasilkan efek yang sama. Di alam, bulu beberapa burung, termasuk burung merak dan kolibri, dan cangkang beberapa kumbang tampak berwarna-warni, tetapi berubah warna saat sudut pandang berubah. Fisika optik di sini adalah interferensi gelombang cahaya yang dipantulkan dari struktur berlapis tipis atau susunan batang reflektif. Demikian pula, mutiara dan kerang memiliki iris, berkat superposisi pantulan dari beberapa lapisan mutiara. Batu permata seperti opal menunjukkan pola interferensi yang indah karena hamburan cahaya dari pola teratur yang dibentuk oleh partikel bola mikroskopis.
Aplikasi
Ada banyak aplikasi teknologi fenomena interferensi cahaya dalam kehidupan sehari-hari. Fisika optik kamera didasarkan pada mereka. Lapisan anti-reflektif lensa yang biasa adalah film tipis. Ketebalan dan pembiasannya dipilih untuk menghasilkan interferensi destruktif dari cahaya tampak yang dipantulkan. Lapisan yang lebih khusus terdiri dari:beberapa lapisan film tipis dirancang untuk mentransmisikan radiasi hanya dalam rentang panjang gelombang yang sempit dan, oleh karena itu, digunakan sebagai filter cahaya. Lapisan multilayer juga digunakan untuk meningkatkan reflektifitas cermin teleskop astronomi, serta rongga optik laser. Interferometri - metode pengukuran presisi yang digunakan untuk mendeteksi perubahan kecil dalam jarak relatif - didasarkan pada pengamatan pergeseran pita gelap dan terang yang diciptakan oleh cahaya yang dipantulkan. Misalnya, mengukur bagaimana pola interferensi akan berubah memungkinkan Anda menentukan kelengkungan permukaan komponen optik dalam fraksi panjang gelombang optik.
