דפוסי הפרעות הם פסים בהירים או כהים שנגרמים על ידי אלומות שנמצאות בשלב או מחוץ לפאזה זו עם זו. כאשר הם מונחים על גבי, גלים של אור ודומיהם מצטברים אם הפאזות שלהם חופפות (הן בכיוון של עלייה והן בירידה), או שהם מפצים זה את זה אם הם נמצאים באנטי-פאזה. תופעות אלו נקראות התערבות בונה והרסנית, בהתאמה. אם אלומת קרינה מונוכרומטית, שלכולן אורך גל זהה, עוברת דרך שני חרכים צרים (הניסוי בוצע לראשונה בשנת 1801 על ידי תומס יאנג, מדען אנגלי, שבזכותו הגיע למסקנה על טבע הגל של אור), ניתן לכוון את שתי האלומות המתקבלות על מסך שטוח, שעליו, במקום שני נקודות חופפות, נוצרים שולי הפרעה - תבנית של אזורים בהירים וחשוכים מתחלפים באופן שווה. תופעה זו משמשת, למשל, בכל מדי האינטרפרומטרים האופטיים.
Superposition
המאפיין המגדיר של כל הגלים הוא סופרפוזיציה, המתארת את התנהגותם של גלים מרוכזים. העיקרון שלו הוא שכאשר בחללאם יותר משני גלים מונחים על גבי, אז ההפרעה המתקבלת שווה לסכום האלגברי של ההפרעות הבודדות. לפעמים כלל זה מופר עבור הפרעות גדולות. התנהגות פשוטה זו מובילה לסדרה של תופעות הנקראות תופעות הפרעה.
תופעת ההפרעות מאופיינת בשני מקרי קיצון. במקסימום הקונסטרוקטיבי של שני הגלים חופפים, והם נמצאים בשלב זה עם זה. התוצאה של הסופרפוזיציה שלהם היא עלייה באפקט המטריד. המשרעת של הגל המעורב שנוצר שווה לסכום האמפליטודות הבודדות. ולהפך, בהפרעות הרסניות, המקסימום של גל אחד עולה בקנה אחד עם המינימום של השני - הם נמצאים באנטי-פאזה. משרעת הגל המשולב שווה להפרש בין המשרעות של חלקיו המרכיבים. במקרה שהם שווים, ההפרעה ההרסנית מלאה, וההפרעה הכוללת של המדיום היא אפס.
הניסוי של יונג
דפוס ההפרעות משני מקורות מצביע בבירור על נוכחותם של גלים חופפים. תומס יונג הציע שאור הוא גל המציית לעקרון הסופרפוזיציה. ההישג הניסיוני המפורסם שלו היה הדגמה של התערבות בונה והרסנית של אור בשנת 1801. הגרסה המודרנית של הניסוי של יאנג שונה במהותה רק בכך שהיא משתמשת במקורות אור קוהרנטיים. הלייזר מאיר באופן אחיד שני חריצים מקבילים במשטח אטום. אור העובר דרכם נצפה במסך מרוחק. כאשר הרוחב בין חריצים גדול בהרבה מאורך גל, כללי האופטיקה הגיאומטרית נצפו - שני אזורים מוארים נראים על המסך. עם זאת, כאשר החריצים מתקרבים זה לזה, האור מתפזר, והגלים על המסך חופפים זה לזה. הדיפרקציה עצמה היא תוצאה של אופי הגל של האור והיא דוגמה נוספת להשפעה זו.
דפוס התערבות
עקרון הסופרפוזיציה קובע את התפלגות העוצמה המתקבלת על המסך המואר. תבנית הפרעה מתרחשת כאשר הפרש הנתיבים מהחריץ למסך שווה למספר שלם של אורכי גל (0, λ, 2λ, …). הבדל זה מבטיח שהשיאים מגיעים באותו זמן. הפרעה הרסנית מתרחשת כאשר הפרש הנתיבים הוא מספר שלם של אורכי גל המוזזים בחצי (λ/2, 3λ/2, …). יונג השתמש בטיעונים גיאומטריים כדי להראות שסופרפוזיציה גורמת לסדרה של שוליים מרווחים באופן שווה או כתמים בעלי עוצמה גבוהה התואמים לאזורים של הפרעה בונה המופרדים על ידי כתמים כהים של הפרעה הרסנית מוחלטת.
מרחק בין חורים
פרמטר חשוב של גיאומטריית החריץ הכפול הוא היחס בין אורך גל האור λ למרחק בין החורים d. אם λ/d קטן בהרבה מ-1, אז המרחק בין השוליים יהיה קטן ולא יראו השפעות חפיפה. על ידי שימוש בחרכים מרווחים קרובים, יונג הצליח להפריד בין האזורים הכהים והבהירים. לפיכך, הוא קבע את אורכי הגל של צבעי האור הנראה. גודלם הקטן ביותר מסביר מדוע ההשפעות הללו נצפות רקבתנאים מסויימים. כדי להפריד בין אזורים של הפרעות בונה והרסני, המרחקים בין מקורות גלי האור חייבים להיות קטנים מאוד.
אורך גל
התבוננות באפקטים של הפרעות היא מאתגרת משתי סיבות אחרות. רוב מקורות האור פולטים ספקטרום רציף של אורכי גל, וכתוצאה מכך דפוסי הפרעות מרובים המונחים זה על זה, כל אחד עם מרווח משלו בין השוליים. זה מבטל את ההשפעות הבולטות ביותר, כגון אזורים של חושך מוחלט.
Coherence
כדי שניתן יהיה לצפות בהפרעות לאורך פרק זמן ממושך, יש להשתמש במקורות אור קוהרנטיים. המשמעות היא שמקורות הקרינה חייבים לשמור על קשר פאזה קבוע. לדוגמה, לשני גלים הרמוניים באותו תדר יש תמיד קשר פאזה קבוע בכל נקודה במרחב - או בשלב, או נגד פאזה, או במצב ביניים כלשהו. עם זאת, רוב מקורות האור אינם פולטים גלים הרמוניים אמיתיים. במקום זאת, הם פולטים אור שבו מתרחשים שינויי פאזה אקראיים מיליוני פעמים בשנייה. קרינה כזו נקראת לא קוהרנטית.
המקור האידיאלי הוא לייזר
הפרעה עדיין נצפית כאשר גלים של שני מקורות לא קוהרנטיים מונחים על גבי החלל, אך דפוסי ההפרעות משתנים באופן אקראי, יחד עם שינוי פאזה אקראי. חיישני אור, כולל עיניים, אינם יכולים להירשם במהירותתמונה משתנה, אבל רק את העוצמה הממוצעת בזמן. קרן הלייזר היא כמעט מונוכרומטית (כלומר מורכבת מאורך גל אחד) וקוהרנטית ביותר. זהו מקור אור אידיאלי לצפייה באפקטים של הפרעות.
זיהוי תדירות
אחרי 1802, אורכי הגל הנמדדים של האור הנראה של יונג יכולים להיות קשורים למהירות האור הלא מדויקת מספיק הזמינה באותה עת כדי להעריך את התדר שלו. לדוגמה, עבור אור ירוק זה בערך 6×1014 הרץ. זה גבוה בסדרי גודל רבים מהתדירות של רעידות מכניות. לשם השוואה, אדם יכול לשמוע קול בתדרים של עד 2×104 הרץ. מה בדיוק השתנה בקצב כזה נשאר בגדר תעלומה במשך 60 השנים הבאות.
התערבות בסרטים דקים
ההשפעות שנצפו אינן מוגבלות לגיאומטריית החריץ הכפול שבו השתמש תומס יאנג. כאשר קרניים מוחזרות ונשברות משני משטחים המופרדים במרחק השווה לאורך הגל, מתרחשת הפרעות בסרטים דקים. את התפקיד של הסרט בין המשטחים ניתן לשחק על ידי ואקום, אוויר, כל נוזל שקוף או מוצקים. באור נראה, השפעות ההפרעות מוגבלות לממדים בסדר גודל של כמה מיקרומטרים. דוגמה ידועה לסרט היא בועת סבון. האור המוחזר ממנו הוא סופרפוזיציה של שני גלים - האחד מוחזר מהמשטח הקדמי, והשני - מאחור. הם חופפים בחלל ונערמים זה עם זה. תלוי בעובי הסבוןסרטים, שני גלים יכולים לקיים אינטראקציה בונה או הרסנית. חישוב מלא של דפוס ההפרעות מראה כי עבור אור עם אורך גל אחד λ, נצפית הפרעות בונה עבור עובי סרט של λ/4, 3λ/4, 5λ/4 וכו', ונצפית הפרעות הרסניות עבור λ/2, λ, 3λ/ 2, …
נוסחאות לחישוב
לתופעת ההפרעות שימושים רבים, ולכן חשוב להבין את המשוואות הבסיסיות הכרוכות בכך. הנוסחאות הבאות מאפשרות לך לחשב כמויות שונות הקשורות להפרעות עבור שני מקרי ההפרעות הנפוצים ביותר.
ניתן לחשב את מיקום השוליים הבהירים בניסוי של יאנג, כלומר אזורים עם הפרעות בונה, באמצעות הביטוי: ybright.=(λL/d)m, כאשר λ הוא אורך הגל; m=1, 2, 3, …; d הוא המרחק בין חריצים; L הוא המרחק למטרה.
המיקום של פסים כהים, כלומר אזורים של אינטראקציה הרסנית, נקבע על ידי הנוסחה: ydark.=(λL/d)(m+1/2).
עבור סוג אחר של הפרעות - בסרטים דקים - נוכחות של סופרפוזיציה בונה או הרסנית קובעת את הסטת הפאזה של הגלים המוחזרים, התלויה בעובי הסרט ובמקדם השבירה שלו. המשוואה הראשונה מתארת את המקרה של היעדר תזוזה כזו, והשנייה מתארת תזוזה של חצי אורך גל:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
כאן λ הוא אורך הגל; m=1, 2, 3, …; זה הנתיב שעבר בסרט; n הוא מקדם השבירה.
תצפית בטבע
כאשר השמש זורחת על בועת סבון, ניתן לראות פסים בצבעים בהירים כאשר אורכי גל שונים נתונים להפרעות הרסניות ומורחקים מההשתקפות. האור המוחזר שנותר נראה משלים לצבעים רחוקים. לדוגמה, אם אין רכיב אדום כתוצאה מהפרעות הרסניות, ההשתקפות תהיה כחולה. סרטים דקים של שמן על מים מייצרים אפקט דומה. בטבע, הנוצות של ציפורים מסוימות, כולל טווסים ויונקי דבש, והקונכיות של כמה חיפושיות נראות ססגוניות, אך משנות את צבען ככל שזווית הצפייה משתנה. הפיזיקה של האופטיקה כאן היא הפרעה של גלי אור מוחזרים ממבנים דקים שכבות או מערכים של מוטות מחזירי אור. באופן דומה, לפנינים וקונכיות יש קשתית, הודות לסופרפוזיציה של השתקפויות מכמה שכבות של אם הפנינה. אבני חן כגון אופל מציגות דפוסי הפרעות יפים עקב פיזור האור מתבניות רגילות שנוצרו על ידי חלקיקים כדוריים מיקרוסקופיים.
Application
ישנם יישומים טכנולוגיים רבים של תופעות של הפרעות אור בחיי היומיום. הפיזיקה של אופטיקה של המצלמה מבוססת עליהם. הציפוי האנטי-רפלקטיבי הרגיל של עדשות הוא סרט דק. העובי והשבירה שלו נבחרים כדי לייצר הפרעה הרסנית של האור הנראה המוחזר. ציפויים מיוחדים יותר המורכבים מכמה שכבות של סרטים דקים נועדו להעביר קרינה רק בטווח אורכי גל צר, ולכן משמשות כמסנני אור. ציפויים רב-שכבתיים משמשים גם להגברת ההשתקפות של מראות טלסקופ אסטרונומיות, כמו גם חללים אופטיים בלייזר. אינטרפרומטריה - שיטות מדידה מדויקות המשמשות לאיתור שינויים קטנים במרחקים יחסיים - מבוססת על התבוננות בשינויים ברצועות כהות ובהירות שנוצרו על ידי אור מוחזר. לדוגמה, מדידת אופן שינוי דפוס ההפרעות מאפשרת לקבוע את העקמומיות של המשטחים של רכיבים אופטיים בשברים מאורך הגל האופטי.
