ГЛАВА 7. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ И ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
§ 7.1. Введение
В гл. 3 из основных уравнений электромагнитной теории была получена геометрическая модель распространения света и было показано, что в некотором приближении изменение интенсивности в пучке света можно описать как функцию площади поперечного сечения трубки лучей. При суперпозиции двух или большего числа световых пучков распределение интенсивности в общем случае уже нельзя описывать таким простым способом. Так, если свет от одного источника разделить подходящим прибором на два пучка и затем наложить их друг на друга, то интенсивность в области суперпозиции пучков будет изменяться от точки к точке, достигая максимума, превышающего сумму интенсивностей пучков, и минимума, который может оказаться равным нулю. Это явление называется интерференцией. Ниже мы увидим, что при суперпозиция пучков строго монохроматического света интерференция возникает всегда. Однако свет от реальных физических источников никогда не бывает строго монохроматическим, и, как мы знаем из теории атомного строения, его амплитуда и фаза флуктуируют непрерывно и так быстро, что ни глаз, ни обычный физический детектор не могут уследить за их изменениями. Если два световых пучка происходят от одного источника, то возникающие в них флуктуации, вообще говоря, коррелированы, и о таких пучках говорят, что они полностью или частично когерентны, в зависимости от того, будет ли эта корреляция полной или частичной. В световых пучках от разных источников флуктуации совершенно независимы, и пучки, как говорят, взаимно некогерентны. При наложении таких пучков от независимых источников интерференция в обычных экспериментальных условиях не наблюдается, и полная интенсивность равна сумме интенсивностей отдельных пучков. Далее (см. гл. 10) мы увидим, что «степень корреляции» между флуктуациями в двух световых пучках определяет «четкость» интерференционных эффектов, возникающих при суперпозиции пучков, и наоборот, «степень корреляции» сама определяется этими эффектами.
Существуют два общих метода получения интерферирующих пучков из одного светового пучка, и они лежат в основе классификации устройств, применяемых в интерферометрии. В одном из них пучок делится, проходя сквозь близко расположенные друг к другу отверстия. Такой метод — метод деления волнового фронта — пригоден только при достаточно малых источниках. В другом способе пучок делится на одной или нескольких частично отражающих, частично пропускающих поверхностях. Этот метод — метод деления амплитуды - может применяться с протяженными источниками и обеспечивает большую интенсивность, чем первый метод. В любом случае удобно рассматривать отдельно явления, возникающие при суперпозиции двух пучков (двухлучевая интерференция), и явления, возникающие при суперпозиции большего их числа (многолучевая интерференция).
Интерференционные явления, исторически послужившие доказательством волновой теории света (см. «Историческое введение»), и в наши дни имеют важные практические применения, например в спектроскопии и метрологии. В настоящей главе мы коснемся главным образом идеализированного случая интерференции световых пучков от строго монохроматических источников.
Элементарная теория монохроматических волн вполне достаточна для описания действия приборов, применяемых в подавляющем большинстве интерференционных исследований. В случае необходимости мы с помощью теоремы Фурье учтем, что реальные источники далеко не монохроматичны. Это обстоятельство всегда подразумевается в нашем представлении о протяженных источниках, которые мы считаем состоящими из большого числа взаимно пекогерентных точечных источников. В настоящей главе мы всегда (когда это возможно) будем предполагать, что поведение отдельных пучков лучей подчиняется законам геометрической оптики и будем пренебрегать дифракционными явлениями, которые, как кратко указано в п. 3.1.4, возникают вблизи фокальных точек и границ тсии. Эти явления будут подробно рассматриваться в гл. 8 для случая монохроматического света. Общий случай интерференции и дифракции полихроматического частично когерентного света будет рассмотрен в гл. 10.
