干渉と回折

波動光学の魅力的な世界では、干渉と呼ばれる2つの現象が大きな役割を果たします。この現象は光の波動性に起因し、波が互いにおよびその進路にある障害物と相互作用する興味深い方法を強調します。それでは、これらの現象の詳細に深く入りましょう。

干渉

干渉は、2つ以上の波が重なり、新しい波動パターンを形成する現象です。これは、音波、水波、光波を含むあらゆる種類の波で発生する可能性があります。光学においては、干渉はしばしば、光波が重なり合って形成されるパターンを説明するために使用されます。

建設的および破壊的干渉

波が互いに重なり合うと、主に2つの方法で干渉を引き起こす可能性があります：

建設的干渉: 2つの波が1つの大きな振幅波を形成するように組み合わさるとき、彼らは建設的干渉を行います。
破壊的干渉: 2つの波が互いに打ち消し合い、小さな振幅の波を形成するとき、彼らは破壊的干渉を行います。

上の例では、2つの波（1つは青、もう1つは赤）が互いに重なり、ピークが一致して高い振幅の波を生成する場合に建設的干渉が発生します。

ヤングの二重スリット実験

光学における干渉を示す最も有名な実験の1つがヤングの二重スリット実験です。この実験は次のように作動します：

光が2つの密接に配置されたスリットを通過します。
スリットからの光は2つのコヒーレント光源として作用します。
これらのスリットからくる光波が互いに重なり合うと、スリットの後ろのスクリーンに干渉パターンが形成されます。

この実験の主な観察は、スクリーン上で明るい縞と暗い縞が形成されることです。明るい縞は建設的干渉の場所であり、暗い縞は破壊的干渉の場所です。

数式での表現

建設的および破壊的干渉の条件は、スリットからの波の光路差を使用して説明できます。光路差は次のように表されます：

    Δ = d * sin(θ)
    Δ = d * sin(θ)

ここで：

Δ は光路差です。
d はスリット間の距離です。
θ は光の元の進行方向に対する波の角度です。

建設的および破壊的干渉の条件は次のとおりです：

建設的干渉: Δ = mλ （m は整数）。
破壊的干渉: Δ = (m + 1/2)λ （m は整数）。

回折

回折は、波が障害物の周りを回り込んだり、小さな穴を通過する際に広がる現象です。これはすべての波、特に光波の特徴的な振る舞いです。

単一スリット回折

光が狭いスリットを通過するとき、光は広がり、明暗の縞のパターンを形成します。これを回折パターンと呼びます。これは次のような単一スリット実験で確認できます：

光が狭い穴を通過します。
光が広がり、スリットの端を回り込みます。
結果は、中央に明るい縞があり、両側に暗い縞があるパターンです。

回折パターンの中央最大幅および最小（暗い帯）の位置は次の式を使って計算できます：

    a * sin(θ) = mλ
    a * sin(θ) = mλ

ここで：

a はスリットの幅です。
θ は最小が発生する角度です。
m は最小の次数（ゼロを除く整数）。
λ は光の波長です。

回折格子と回折

回折格子は、複数のスリットを持つ光学部品です。プリズムに似ていますが、光を屈折ではなく回折を使用してその成分色や波長に分散させるために使用されます。光が格子を通過するとき、各スリットが回折光波の源として作用します。

回折格子における最大角度を記述する公式は、単純な干渉公式と似ています：

    d * sin(θ) = mλ
    d * sin(θ) = mλ

これらの用語は単一スリット回折のシナリオに対応します：

d は格子内の隣接するスリット間の距離です。
θ はm次最大の角度です。
m は回折最大の次数です。
λ は光の波長です。