Los patrones de interferencia son bandas claras u oscuras causadas por haces que están en fase o desfasados entre sí. Cuando se superponen, las ondas luminosas y similares se suman si sus fases coinciden (tanto en sentido de aumento como de disminución), o se compensan si están en antifase. Estos fenómenos se denominan interferencia constructiva y destructiva, respectivamente. Si un haz de radiación monocromática, todos con la misma longitud de onda, pasa a través de dos rendijas estrechas (el experimento lo realizó por primera vez en 1801 Thomas Young, un científico inglés que, gracias a él, llegó a la conclusión sobre la naturaleza ondulatoria de luz), los dos haces resultantes se pueden dirigir sobre una pantalla plana, en la que, en lugar de dos puntos superpuestos, se forman franjas de interferencia, un patrón de áreas claras y oscuras que alternan uniformemente. Este fenómeno se utiliza, por ejemplo, en todos los interferómetros ópticos.
Superposición
La característica definitoria de todas las ondas es la superposición, que describe el comportamiento de las ondas superpuestas. Su principio es que cuando en el espacioSi se superponen más de dos ondas, la perturbación resultante es igual a la suma algebraica de las perturbaciones individuales. A veces, esta regla se viola para grandes perturbaciones. Este simple comportamiento conduce a una serie de efectos llamados fenómenos de interferencia.
El fenómeno de la interferencia se caracteriza por dos casos extremos. En los máximos constructivos de las dos ondas coinciden, y están en fase entre sí. El resultado de su superposición es un aumento del efecto perturbador. La amplitud de la onda mixta resultante es igual a la suma de las amplitudes individuales. Y, por el contrario, en la interferencia destructiva, el máximo de una onda coincide con el mínimo de la segunda: están en antifase. La amplitud de la onda combinada es igual a la diferencia entre las amplitudes de sus partes componentes. En el caso de que sean iguales, la interferencia destructiva es completa y la perturbación total del medio es cero.
Experimento de Jung
El patrón de interferencia de dos fuentes indica claramente la presencia de ondas superpuestas. Thomas Jung sugirió que la luz es una onda que obedece al principio de superposición. Su famoso logro experimental fue la demostración de la interferencia constructiva y destructiva de la luz en 1801. La versión moderna del experimento de Young difiere esencialmente solo en que utiliza fuentes de luz coherentes. El láser ilumina uniformemente dos rendijas paralelas en una superficie opaca. La luz que pasa a través de ellos se observa en una pantalla remota. Cuando el ancho entre las ranuras es mucho mayor quelongitud de onda, se observan las reglas de la óptica geométrica: dos áreas iluminadas son visibles en la pantalla. Sin embargo, a medida que las rendijas se acercan, la luz se difracta y las ondas en la pantalla se superponen entre sí. La difracción en sí misma es una consecuencia de la naturaleza ondulatoria de la luz y es otro ejemplo de este efecto.
Patrón de interferencia
El principio de superposición determina la distribución de intensidad resultante en la pantalla iluminada. Un patrón de interferencia ocurre cuando la diferencia de camino desde la rendija a la pantalla es igual a un número entero de longitudes de onda (0, λ, 2λ, …). Esta diferencia asegura que los máximos lleguen al mismo tiempo. La interferencia destructiva ocurre cuando la diferencia de trayectoria es un número entero de longitudes de onda desplazadas a la mitad (λ/2, 3λ/2, …). Jung usó argumentos geométricos para mostrar que la superposición da como resultado una serie de franjas o parches de alta intensidad espaciados uniformemente que corresponden a áreas de interferencia constructiva separadas por parches oscuros de interferencia destructiva total.
Distancia entre agujeros
Un parámetro importante de la geometría de doble rendija es la relación entre la longitud de onda de la luz λ y la distancia entre los agujeros d. Si λ/d es mucho menor que 1, entonces la distancia entre las franjas será pequeña y no se observarán efectos de superposición. Mediante el uso de rendijas estrechamente espaciadas, Jung pudo separar las áreas oscuras y claras. Así, determinó las longitudes de onda de los colores de la luz visible. Su magnitud extremadamente pequeña explica por qué estos efectos se observan sólobajo ciertas condiciones. Para separar áreas de interferencia constructiva y destructiva, las distancias entre las fuentes de ondas de luz deben ser muy pequeñas.
Longitud de onda
Observar los efectos de interferencia es un desafío por otras dos razones. La mayoría de las fuentes de luz emiten un espectro continuo de longitudes de onda, lo que da como resultado múltiples patrones de interferencia superpuestos, cada uno con su propio espacio entre franjas. Esto cancela los efectos más pronunciados, como las áreas de oscuridad total.
Coherencia
Para poder observar la interferencia durante un período de tiempo prolongado, se deben utilizar fuentes de luz coherentes. Esto significa que las fuentes de radiación deben mantener una relación de fase constante. Por ejemplo, dos ondas armónicas de la misma frecuencia siempre tienen una relación de fase fija en cada punto del espacio, ya sea en fase, en antifase o en algún estado intermedio. Sin embargo, la mayoría de las fuentes de luz no emiten ondas armónicas verdaderas. En su lugar, emiten luz en la que se producen cambios de fase aleatorios millones de veces por segundo. Tal radiación se llama incoherente.
La fuente ideal es un láser
Todavía se observa interferencia cuando las ondas de dos fuentes incoherentes se superponen en el espacio, pero los patrones de interferencia cambian aleatoriamente, junto con un cambio de fase aleatorio. Los sensores de luz, incluidos los ojos, no pueden registrarse rápidamenteimagen cambiante, pero sólo la intensidad promediada en el tiempo. El rayo láser es casi monocromático (es decir, consta de una longitud de onda) y muy coherente. Es una fuente de luz ideal para observar efectos de interferencia.
Detección de frecuencia
Después de 1802, las longitudes de onda de la luz visible medidas por Jung podrían estar relacionadas con la velocidad de la luz insuficientemente precisa disponible en ese momento para aproximar su frecuencia. Por ejemplo, para la luz verde es de aproximadamente 6×1014 Hz. Esto es muchos órdenes de magnitud superior a la frecuencia de las vibraciones mecánicas. En comparación, un humano puede escuchar sonido con frecuencias de hasta 2×104 Hz. Lo que fluctuó exactamente a tal ritmo siguió siendo un misterio durante los siguientes 60 años.
Interferencia en películas delgadas
Los efectos observados no se limitan a la geometría de doble rendija utilizada por Thomas Young. Cuando los rayos se reflejan y refractan desde dos superficies separadas por una distancia comparable a la longitud de onda, se produce una interferencia en las películas delgadas. El papel de la película entre las superficies puede ser desempeñado por vacío, aire, cualquier líquido o sólido transparente. En luz visible, los efectos de interferencia se limitan a dimensiones del orden de unos pocos micrómetros. Un ejemplo bien conocido de una película es una pompa de jabón. La luz que refleja es una superposición de dos ondas: una se refleja desde la superficie frontal y la segunda, desde la parte posterior. Se superponen en el espacio y se apilan entre sí. Dependiendo del grosor del jabón.películas, dos ondas pueden interactuar de forma constructiva o destructiva. Un cálculo completo del patrón de interferencia muestra que para la luz con una longitud de onda λ, se observa interferencia constructiva para un espesor de película de λ/4, 3λ/4, 5λ/4, etc., y se observa interferencia destructiva para λ/2, λ, 3λ/ 2, …
Fórmulas para el cálculo
El fenómeno de la interferencia tiene muchos usos, por lo que es importante entender las ecuaciones básicas involucradas. Las siguientes fórmulas le permiten calcular varias cantidades asociadas con la interferencia para los dos casos de interferencia más comunes.
La ubicación de las franjas brillantes en el experimento de Young, es decir, las áreas con interferencia constructiva, se puede calcular usando la expresión: ybrillante.=(λL/d)m, donde λ es la longitud de onda; m=1, 2, 3, …; d es la distancia entre ranuras; L es la distancia al objetivo.
La ubicación de las bandas oscuras, es decir, las áreas de interacción destructiva, está determinada por la fórmula: yoscuro.=(λL/d)(m+1/2).
Para otro tipo de interferencia, en películas delgadas, la presencia de una superposición constructiva o destructiva determina el cambio de fase de las ondas reflejadas, que depende del espesor de la película y de su índice de refracción. La primera ecuación describe el caso de la ausencia de dicho desplazamiento, y la segunda describe un desplazamiento de media longitud de onda:
2nt=mλ;
2nt=(m+1/2) λ.
Aquí λ es la longitud de onda; m=1, 2, 3, …; es el camino recorrido en la película; n es el índice de refracción.
Observación en la naturaleza
Cuando el sol brilla sobre una pompa de jabón, se pueden ver bandas de colores brillantes a medida que las diferentes longitudes de onda están sujetas a interferencias destructivas y se eliminan del reflejo. La luz reflejada restante aparece como complementaria a los colores distantes. Por ejemplo, si no hay un componente rojo como resultado de una interferencia destructiva, el reflejo será azul. Las películas delgadas de aceite sobre el agua producen un efecto similar. En la naturaleza, las plumas de algunas aves, incluidos los pavos reales y los colibríes, y las conchas de algunos escarabajos parecen iridiscentes, pero cambian de color a medida que cambia el ángulo de visión. La física de la óptica aquí es la interferencia de ondas de luz reflejadas desde estructuras de capas delgadas o conjuntos de varillas reflectantes. Del mismo modo, las perlas y las conchas tienen un iris, gracias a la superposición de reflejos de varias capas de nácar. Las piedras preciosas como el ópalo exhiben hermosos patrones de interferencia debido a la dispersión de la luz de los patrones regulares formados por partículas esféricas microscópicas.
Solicitud
Hay muchas aplicaciones tecnológicas de los fenómenos de interferencia de la luz en la vida cotidiana. La física de la óptica de la cámara se basa en ellos. El revestimiento antirreflectante habitual de las lentes es una película delgada. Su grosor y refracción se eligen para producir una interferencia destructiva de la luz visible reflejada. Recubrimientos más especializados que consisten envarias capas de películas delgadas están diseñadas para transmitir radiación solo en un rango de longitud de onda estrecho y, por lo tanto, se usan como filtros de luz. Los revestimientos multicapa también se utilizan para aumentar la reflectividad de los espejos de los telescopios astronómicos, así como las cavidades ópticas del láser. La interferometría, métodos de medición precisos utilizados para detectar pequeños cambios en distancias relativas, se basa en la observación de cambios en las bandas oscuras y claras creadas por la luz reflejada. Por ejemplo, medir cómo cambiará el patrón de interferencia le permite determinar la curvatura de las superficies de los componentes ópticos en fracciones de la longitud de onda óptica.
