รูปแบบการรบกวนคือแถบสีอ่อนหรือสีเข้มที่เกิดจากลำแสงที่อยู่ในระยะหรืออยู่นอกเฟสซึ่งกันและกัน เมื่อซ้อนทับ แสงและคลื่นที่คล้ายกันจะเพิ่มขึ้นหากเฟสของพวกมันตรงกัน (ทั้งสองในทิศทางของการเพิ่มขึ้นและลดลง) หรือชดเชยซึ่งกันและกันหากอยู่ในแอนติเฟส ปรากฏการณ์เหล่านี้เรียกว่าการรบกวนเชิงสร้างสรรค์และการทำลายล้าง ตามลำดับ หากลำแสงของรังสีเอกรงค์ซึ่งมีความยาวคลื่นเท่ากันทั้งหมดผ่านช่องแคบสองช่อง (การทดลองดำเนินการครั้งแรกในปี พ.ศ. 2344 โดยโธมัสยังนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษผู้ซึ่งได้ข้อสรุปเกี่ยวกับธรรมชาติของคลื่น ของแสง) ลำแสงทั้งสองที่เกิดขึ้นนั้นสามารถนำไปวางบนจอแบนซึ่งแทนที่จะเกิดจุดทับซ้อนกันสองจุดที่เกิดการรบกวน - รูปแบบของแสงสลับกันอย่างสม่ำเสมอและพื้นที่มืด ตัวอย่างเช่น ปรากฏการณ์นี้ถูกใช้ในออปติคัลอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ทั้งหมด
การทับซ้อน
ลักษณะเฉพาะของคลื่นทั้งหมดคือการซ้อน ซึ่งอธิบายพฤติกรรมของคลื่นที่ซ้อนทับ หลักการคือเมื่ออยู่ในอวกาศหากมีการวางคลื่นมากกว่าสองคลื่น การรบกวนที่เกิดขึ้นจะเท่ากับผลรวมเชิงพีชคณิตของการก่อกวนแต่ละรายการ บางครั้งกฎนี้ถูกละเมิดเนื่องจากการก่อกวนครั้งใหญ่ พฤติกรรมที่เรียบง่ายนี้นำไปสู่ชุดของเอฟเฟกต์ที่เรียกว่าปรากฏการณ์การรบกวน
ปรากฏการณ์การรบกวนมี 2 กรณีที่รุนแรง ในจุดสูงสุดเชิงสร้างสรรค์ของคลื่นทั้งสองจะเกิดขึ้นพร้อมกันและพวกมันอยู่ในเฟสซึ่งกันและกัน ผลของการทับซ้อนของพวกเขาคือการเพิ่มขึ้นของผลกระทบที่ก่อกวน แอมพลิจูดของคลื่นผสมที่ได้จะเท่ากับผลรวมของแอมพลิจูดแต่ละตัว และในทางกลับกัน ในการรบกวนแบบทำลายล้าง คลื่นสูงสุดหนึ่งคลื่นจะตรงกับค่าต่ำสุดของคลื่นที่สอง - อยู่ในช่วงแอนติเฟส แอมพลิจูดของคลื่นรวมเท่ากับความแตกต่างระหว่างแอมพลิจูดของส่วนประกอบต่างๆ ในกรณีที่เท่ากัน การรบกวนที่ทำลายล้างจะสมบูรณ์ และการรบกวนทั้งหมดของสื่อจะเป็นศูนย์
การทดลองของจุง
รูปแบบการรบกวนจากสองแหล่งบ่งชี้ชัดเจนว่ามีคลื่นทับซ้อนกัน โธมัส จุง เสนอว่าแสงเป็นคลื่นที่เป็นไปตามหลักการทับซ้อน ผลสัมฤทธิ์ทางการเรียนที่มีชื่อเสียงของเขาคือการสาธิตการรบกวนที่สร้างสรรค์และทำลายล้างของแสงในปี 1801 การทดลองของ Young เวอร์ชันใหม่นั้นแตกต่างกันโดยพื้นฐานแล้วโดยใช้แหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกันเท่านั้น เลเซอร์จะส่องช่องผ่าคู่ขนานสองช่องอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวทึบแสง แสงที่ส่องผ่านจะสังเกตเห็นได้บนหน้าจอระยะไกล เมื่อความกว้างระหว่างช่องมากกว่าความยาวคลื่นสังเกตกฎของเลนส์ทางเรขาคณิต - พื้นที่สว่างสองแห่งสามารถมองเห็นได้บนหน้าจอ อย่างไรก็ตาม เมื่อรอยกรีดเข้าใกล้กัน แสงจะส่องผ่าน และคลื่นบนหน้าจอก็ทับซ้อนกัน การเลี้ยวเบนเป็นผลมาจากธรรมชาติของคลื่นของแสง และเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของเอฟเฟกต์นี้
รูปแบบการรบกวน
หลักการทับซ้อนจะกำหนดการกระจายความเข้มของผลลัพธ์บนหน้าจอที่เรืองแสง รูปแบบการรบกวนเกิดขึ้นเมื่อความแตกต่างของเส้นทางจากรอยแยกไปยังหน้าจอเท่ากับจำนวนความยาวคลื่นที่เป็นจำนวนเต็ม (0, λ, 2λ, …) ความแตกต่างนี้ช่วยให้แน่ใจว่าเสียงสูงจะมาถึงในเวลาเดียวกัน การรบกวนแบบทำลายล้างเกิดขึ้นเมื่อความแตกต่างของเส้นทางเป็นจำนวนเต็มของความยาวคลื่นที่เลื่อนไปครึ่งหนึ่ง (λ/2, 3λ/2, …) Jung ใช้อาร์กิวเมนต์ทางเรขาคณิตเพื่อแสดงว่าการซ้อนทับส่งผลให้เกิดขอบหรือแพทช์ที่มีระยะห่างเท่ากันซึ่งมีความเข้มสูงซึ่งสอดคล้องกับพื้นที่ของการรบกวนเชิงสร้างสรรค์ที่คั่นด้วยจุดมืดของการรบกวนแบบทำลายล้างทั้งหมด
ระยะห่างระหว่างหลุม
พารามิเตอร์ที่สำคัญของรูปทรงร่องคู่คืออัตราส่วนของความยาวคลื่นแสง λ ต่อระยะห่างระหว่างรู d หาก λ/d น้อยกว่า 1 มาก ระยะห่างระหว่างขอบจะเล็กและจะไม่สังเกตเห็นผลกระทบที่ทับซ้อนกัน ด้วยการใช้รอยกรีดที่เว้นระยะห่างอย่างใกล้ชิด Jung สามารถแยกส่วนที่มืดและสว่างออกได้ ดังนั้น เขาจึงกำหนดความยาวคลื่นของสีของแสงที่มองเห็นได้ ขนาดที่เล็กมากของพวกมันอธิบายว่าทำไมเอฟเฟกต์เหล่านี้จึงถูกสังเกตเท่านั้นภายใต้เงื่อนไขบางประการ ในการแยกพื้นที่ของการรบกวนเชิงสร้างสรรค์และการทำลายล้าง ระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดคลื่นแสงจะต้องมีขนาดเล็กมาก
ความยาวคลื่น
การสังเกตเอฟเฟกต์การรบกวนนั้นท้าทายด้วยเหตุผลอีกสองประการ แหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่ปล่อยสเปกตรัมความยาวคลื่นอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้เกิดรูปแบบการรบกวนหลายแบบซ้อนทับกัน โดยแต่ละส่วนมีระยะห่างระหว่างขอบต่างกัน การดำเนินการนี้จะยกเลิกเอฟเฟกต์ที่เด่นชัดที่สุด เช่น บริเวณที่มืดสนิท
ความเชื่อมโยง
เพื่อให้สังเกตการรบกวนเป็นเวลานาน ต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกัน ซึ่งหมายความว่าแหล่งกำเนิดรังสีจะต้องรักษาความสัมพันธ์แบบเฟสคงที่ ตัวอย่างเช่น คลื่นฮาร์มอนิกสองคลื่นที่มีความถี่เท่ากันจะมีความสัมพันธ์แบบเฟสคงที่ที่จุดแต่ละจุดในอวกาศเสมอ ไม่ว่าจะเป็นในเฟส หรือในแอนติเฟส หรือในสถานะระดับกลาง อย่างไรก็ตาม แหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่ไม่ปล่อยคลื่นฮาร์มอนิกที่แท้จริง แต่จะปล่อยแสงออกมาโดยที่การเปลี่ยนแปลงเฟสแบบสุ่มเกิดขึ้นนับล้านครั้งต่อวินาที รังสีดังกล่าวเรียกว่าไม่ต่อเนื่องกัน
แหล่งสัญญาณในอุดมคติคือเลเซอร์
การรบกวนยังคงถูกสังเกตเมื่อคลื่นของแหล่งกำเนิดสองแหล่งที่ไม่ต่อเนื่องกันถูกซ้อนทับในอวกาศ แต่รูปแบบการรบกวนจะเปลี่ยนแบบสุ่ม พร้อมกับการเปลี่ยนเฟสแบบสุ่ม เซ็นเซอร์วัดแสงรวมทั้งดวงตาไม่สามารถลงทะเบียนได้อย่างรวดเร็วเปลี่ยนภาพแต่ความเข้มของเวลาเฉลี่ยเท่านั้น ลำแสงเลเซอร์เกือบจะเป็นสีเดียว (กล่าวคือ ประกอบด้วยความยาวคลื่นเดียว) และมีความสอดคล้องกันสูง เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะสำหรับการสังเกตเอฟเฟกต์การรบกวน
การตรวจจับความถี่
หลังปี 1802 ความยาวคลื่นที่วัดได้ของแสงที่มองเห็นได้ของ Jung อาจเกี่ยวข้องกับความเร็วแสงที่แม่นยำไม่เพียงพอในขณะนั้นที่จะประมาณความถี่ของมัน ตัวอย่างเช่น สำหรับไฟเขียว จะอยู่ที่ประมาณ 6×1014 Hz นี่เป็นลำดับความสำคัญที่สูงกว่าความถี่ของการสั่นสะเทือนทางกล ในการเปรียบเทียบ มนุษย์สามารถได้ยินเสียงที่มีความถี่สูงถึง 2×104 Hz สิ่งที่ผันผวนอย่างแน่นอนในอัตราดังกล่าวยังคงเป็นปริศนาต่อไปอีก 60 ปีข้างหน้า
การรบกวนในภาพยนตร์บาง
เอฟเฟกต์ที่สังเกตได้นั้นไม่ได้จำกัดแค่เรขาคณิตกรีดคู่ที่ใช้โดยโธมัส ยัง เมื่อรังสีสะท้อนและหักเหจากพื้นผิวสองพื้นผิวที่แยกจากกันด้วยระยะทางที่เทียบได้กับความยาวคลื่น การรบกวนจะเกิดขึ้นในฟิล์มบาง บทบาทของฟิล์มระหว่างพื้นผิวสามารถเล่นได้โดยใช้สุญญากาศ อากาศ ของเหลวหรือของแข็งที่โปร่งใส ในแสงที่มองเห็นได้ เอฟเฟกต์การรบกวนจะจำกัดอยู่ที่ขนาดไม่กี่ไมโครเมตร ตัวอย่างที่รู้จักกันดีของภาพยนตร์คือฟองสบู่ แสงที่สะท้อนจากมันคือการซ้อนทับของคลื่นสองคลื่น คลื่นแรกสะท้อนจากพื้นผิวด้านหน้า และคลื่นที่สอง - จากด้านหลัง พวกเขาทับซ้อนกันในอวกาศและซ้อนกัน ขึ้นอยู่กับความหนาของสบู่ภาพยนตร์สองคลื่นสามารถโต้ตอบอย่างสร้างสรรค์หรือทำลายล้าง การคำนวณรูปแบบการรบกวนที่สมบูรณ์แสดงให้เห็นว่าสำหรับแสงที่มีความยาวคลื่นหนึ่ง λ จะสังเกตการรบกวนเชิงสร้างสรรค์สำหรับความหนาของฟิล์ม λ/4, 3λ/4, 5λ/4 ฯลฯ และสังเกตการรบกวนแบบทำลายล้างสำหรับ λ/2 λ, 3λ/ 2, …
สูตรการคำนวณ
ปรากฏการณ์การรบกวนมีประโยชน์หลายอย่าง ดังนั้นการเข้าใจสมการพื้นฐานที่เกี่ยวข้องจึงเป็นสิ่งสำคัญ สูตรต่อไปนี้ช่วยให้คุณคำนวณปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการรบกวนสำหรับกรณีการรบกวนที่พบบ่อยที่สุดสองกรณี
ตำแหน่งของขอบสว่างในการทดลองของ Young เช่น พื้นที่ที่มีการรบกวนเชิงสร้างสรรค์ สามารถคำนวณได้โดยใช้นิพจน์: ybright.=(λL/d)m โดยที่ λ คือความยาวคลื่น ม=1, 2, 3, …; d คือระยะห่างระหว่างช่อง L คือระยะทางถึงเป้าหมาย
ตำแหน่งของแถบมืด เช่น พื้นที่ของปฏิกิริยาทำลายล้าง ถูกกำหนดโดยสูตร: ydark.=(λL/d)(m+1/2)
สำหรับการรบกวนประเภทอื่น - ในภาพยนตร์บาง - การซ้อนทับที่สร้างสรรค์หรือการทำลายล้างจะกำหนดการเปลี่ยนเฟสของคลื่นสะท้อน ซึ่งขึ้นอยู่กับความหนาของฟิล์มและดัชนีการหักเหของแสง สมการแรกอธิบายกรณีของการไม่มีการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว และสมการที่สองอธิบายการเปลี่ยนแปลงความยาวครึ่งคลื่น:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
ที่นี่ λ คือความยาวคลื่น ม=1, 2, 3, …; t คือเส้นทางที่เดินทางในภาพยนตร์ n คือดัชนีการหักเหของแสง
ชมธรรมชาติ
เมื่อดวงอาทิตย์ส่องแสงบนฟองสบู่ แถบสีสดใสสามารถมองเห็นได้เนื่องจากความยาวคลื่นที่แตกต่างกันอาจมีการรบกวนอย่างทำลายล้างและถูกเอาออกจากการสะท้อน แสงสะท้อนที่เหลือจะปรากฏเป็นส่วนเสริมของสีที่อยู่ห่างไกล ตัวอย่างเช่น หากไม่มีองค์ประกอบสีแดงอันเป็นผลมาจากการรบกวนที่ทำลายล้าง การสะท้อนจะเป็นสีน้ำเงิน ฟิล์มน้ำมันบาง ๆ บนน้ำให้ผลเช่นเดียวกัน โดยธรรมชาติแล้ว ขนของนกบางชนิด รวมทั้งนกยูงและนกฮัมมิงเบิร์ด และเปลือกของแมลงเต่าทองบางตัวมีสีรุ้ง แต่จะเปลี่ยนสีเมื่อมุมมองเปลี่ยนไป ฟิสิกส์ของทัศนศาสตร์คือการแทรกสอดของคลื่นแสงสะท้อนจากโครงสร้างชั้นบางๆ หรืออาร์เรย์ของแท่งสะท้อนแสง ในทำนองเดียวกัน ไข่มุกและเปลือกหอยก็มีม่านตา ซึ่งต้องขอบคุณการซ้อนทับของการสะท้อนแสงจากเปลือกหอยมุกหลายชั้น อัญมณีเช่นโอปอลมีรูปแบบการรบกวนที่สวยงามเนื่องจากการกระเจิงของแสงจากรูปแบบปกติที่เกิดจากอนุภาคทรงกลมด้วยกล้องจุลทรรศน์
แอปพลิเคชัน
ปรากฏการณ์การรบกวนทางแสงในชีวิตประจำวันมีหลากหลายรูปแบบ ฟิสิกส์ของเลนส์กล้องนั้นขึ้นอยู่กับพวกมัน การเคลือบป้องกันแสงสะท้อนตามปกติของเลนส์คือฟิล์มบาง เลือกความหนาและการหักเหของแสงเพื่อสร้างการรบกวนที่ทำลายล้างของแสงสะท้อนที่สะท้อนออกมา สารเคลือบพิเศษเพิ่มเติมประกอบด้วยฟิล์มบางหลายชั้นถูกออกแบบมาเพื่อส่งรังสีในช่วงความยาวคลื่นแคบเท่านั้น ดังนั้นจึงใช้เป็นตัวกรองแสง การเคลือบหลายชั้นยังใช้เพื่อเพิ่มการสะท้อนแสงของกระจกกล้องโทรทรรศน์ดาราศาสตร์ เช่นเดียวกับช่องแสงเลเซอร์ Interferometry - วิธีการวัดที่แม่นยำซึ่งใช้ในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในระยะทางสัมพัทธ์ อิงจากการสังเกตการเปลี่ยนแปลงของแถบมืดและแถบแสงที่เกิดจากแสงสะท้อน ตัวอย่างเช่น การวัดว่ารูปแบบการรบกวนจะเปลี่ยนไปอย่างไร ช่วยให้คุณกำหนดความโค้งของพื้นผิวของส่วนประกอบออปติคัลเป็นเศษส่วนของความยาวคลื่นแสงได้