БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ИН)
Если в пространстве распространяются две волны, то в каждой точке результирующее колебание представляет собой геометрическую сумму колебаний, соответствующих каждой из складывающихся волн. Этот так называемый принцип суперпозиции соблюдается обычно с большой точностью и нарушается только при распространении волн в какой-либо среде, если амплитуда (интенсивность) волн очень велика (см. Нелинейная оптика , Нелинейная акустика ). И. волн возможна, если они когерентны (см. Когерентность ).
Простейший случай И. — сложение двух волн одинаковой частоты при совпадении направления колебаний в складывающихся волнах. В этом случае, если колебания происходят по синусоидальному (гармоническому) закону, амплитуда результирующей волны в какой-либо точке пространства
где A 1 и A 2 — амплитуды складывающихся волн, а j — разность фаз между ними в рассматриваемой точке. Если волны когерентны, то разность фаз j остаётся неизменной в данной точке, но может изменяться от точки к точке и в пространстве получается некоторое распределение амплитуд результирующей волны с чередующимися максимумами и минимумами. Если амплитуды складывающихся волн одинаковы: A 1 = A 2 , то максимальная амплитуда равна удвоенной амплитуде каждой волны, а минимальная — равна нулю. Геометрические места равной разности фаз, в частности соответствующей максимумам или минимумам, представляют собой поверхности, зависящие от свойств и расположения источников, излучающих складывающиеся волны. В случае двух точечных источников, излучающих сферические волны, эти поверхности — гиперболоиды вращения.
Другой важный случай И. — сложение двух плоских волн, распространяющихся в противоположных направлениях (например, прямой и отражённой). В этом случае получаются стоячие волны .
Среднее за период значение потока энергии в волне пропорционально квадрату амплитуды. Поэтому, как следует из выражения для результирующей амплитуды, при И. происходит перераспределение потока энергии волны в пространстве. Характерное для И. распределение амплитуд с чередующимися максимумами и минимумами остаётся неподвижным в пространстве (или перемещается столь медленно, что за время, необходимое для наблюдений, максимумы и минимумы не успевают сместиться на величину, сравнимую с расстоянием между ними) и его можно наблюдать только в случае, если волны когерентны. Если волны не когерентны, то разность фаз j быстро и беспорядочно изменяется, принимая все возможные значения, так что среднее значение cos j = 0. В этом случае среднее значение амплитуды результирующей волны оказывается одинаковым в различных точках, максимумы и минимумы размываются и интерференционная картина исчезает. Средний квадрат результирующей амплитуды при этом равен сумме средних квадратов амплитуд складывающихся волн, т. е. при сложении волн происходит сложение потоков энергии или интенсивностей.
Описанные выше основные черты явления И. в одинаковой степени относятся как к упругим, так и электромагнитным волнам. Однако в то время как в случае звуковых волн и радиоволн легко обеспечить их когерентность (например, питая разные громкоговорители или антенны одним и тем же током), когерентные световые пучки можно получить только от одного и того же источника света, применяя специальные методы. Другое существенное различие между способами осуществления И. звуковых волн и радиоволн, с одной стороны, и световых волн — с другой, связано с размерами излучателей. Размеры излучателей звуковых волн и радиоволн почти всегда сравнимы с длиной излучаемой волны, тогда как в случае световых волн обычно приходится иметь дело с источниками света, размеры которых велики по сравнению с длиной волны. Поэтому при И. световых волн существенную роль играет вопрос о протяжённости источников. В силу этих особенностей И. света можно наблюдать только в специальных условиях (подробнее см. в ст. Интерференция света ).
И. волн находит важное применение, как в научных исследованиях, так и в технике. Поскольку между длиной волны, разностью хода интерферирующих лучей и расположением максимумов и минимумов существует вполне определённая связь, можно, зная разности хода интерферирующих волн, по расположению максимумов и минимумов определить длину волны, и наоборот, зная длину волны, по расположению максимумов и минимумов определять разность хода лучей, т. е. измерять расстояния. К числу приборов, в которых используется И. волн, относятся: оптические интерферометры , радиоинтерферометры, интерференционные радиодальномеры и т. д. См. также Интерференция радиоволн .
Лит.: Элементарный учебник физики, под ред. Г. С. Ландсберга, 6 изд., т. 3, М., 1970, гл. 3; Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М.—Л., 1959; Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3).
Интерферометр
Интерферо'метр, измерительный прибор, в котором используется интерференция волн. Существуют И. для звуковых и для электромагнитных волн: оптических (ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра) и радиоволн различной длины. Применяются И. весьма широко. Так, акустические И. и радиоинтерферометры используются для измерения скорости распространения волн (акустических и радио), для измерения расстояний между двумя излучателями волн или между излучателем и отражающим телом, т. е. применяются как дальномеры. Наибольшее распространение получили оптические И., о которых пойдёт речь ниже. Они применяются для измерения длин волн спектральных линий, показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных длин, угловых размеров звёзд и пр., для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей и пр.
Принцип действия всех И. одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков (см. Когерентность ), которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина (см. Интерференция света ), вид которой, т. е. форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов, зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.
Методы получения когерентных пучков в И. очень разнообразны, поэтому существует большое число различных конструкций И. По числу интерферирующих пучков света оптические И. можно разбить на многолучевые и двухлучевые.
Примером двухлучевого И. может служить И. Майкельсона (рис. 1 ). Параллельный пучок света источника L , попадая на полупрозрачную пластинку P 1 , разделяется на пучки 1 и 2. После отражения от зеркал M 1 и M 2 и повторного прохождения через пластинку P 1 оба пучка попадают в объектив O 2 , в фокальной плоскости D которого они интерферируют. Оптическая разность хода D = 2(AC — AB ) = 2l , где l — расстояние между зеркалом M 2 и мнимым изображением M 1 ¢ зеркала M 1 в пластинке P 1 . Таким образом, наблюдаемая интерференционная картина эквивалентна интерференции в воздушной пластинке толщиной l . Если зеркало M 1 расположено так, что M 1 ¢ и M 2 параллельны, то образуются полосы равного наклона, локализованные в фокальной плоскости объектива O 2 и имеющие форму концентрических колец. Если же M 2 и M 1 ¢ образуют воздушный клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина M 2 M 1 ¢ и представляющие собой параллельные линии.
И. Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью впервые была измерена абсолютная величина длины волны света, доказана независимость скорости света от движения Земли (см. Майкельсона опыт ). Перемещая одно из зеркал И. Майкельсона, получают возможность плавно изменять D, а зависимость интенсивности центрального пятна от D, в свою очередь, даёт возможность анализировать спектральный состав падающего излучения с разрешением 1/D см —1 . На этом принципе построены Фурье-спектрометры (см. Фурье-спектроскопия ), применяющиеся для длинноволновой инфракрасной области спектра (50—1000 мкм ) при решении задач физики твёрдого тела, органической химии и химии полимеров, диагностики плазмы. Впервые получено разрешение ~ 0,005 см —1 в диапазоне длин волн 0,8—3,5 мкм на Фурье-спектрометре, разность хода в котором контролировалась и измерялась с помощью гелий-неонового газового лазера .
