Interferenz im Brennpunkt einer Sammellinse oder eines Hohlspiegels

Ja, Sie erhalten Interferenzen - aber ein gut konstruiertes Objektiv hat an jedem Punkt gerade genug Phasenverschiebung in die Wellenfront eingeführt, an der die Interferenz konstruktiv ist. Da die Linse eine begrenzte Größe hat, wird im Fokus ein Interferenzmuster beobachtet - etwas, das als "Airy-Ringe" bekannt ist.

Tatsächlich funktioniert eine Linse genau dadurch, dass sie eine Phasenverschiebung zwischen Lichtstrahlen erzeugt, die sich auf verschiedenen Wegen bewegen, und nach der Phasenverschiebung ändert der Strahl die Richtung, da dies die Richtung ist, in der die Interferenz konstruktiv ist.

Das folgende Diagramm versucht dies zu erklären – ich verwende die herkömmliche Huyghens-Konstruktion, um zu zeigen, dass jeder Punkt auf einer Wellenfront als Quelle einer Wellenfront betrachtet werden kann, die sich in alle Richtungen ausbreitet – wobei die letzte Wellenfront in die Richtung fortschreitet, in der sich alle befinden diese interferieren konstruktiv. Der blaue Keil ist ein Prisma - ein sehr kleines Stück einer Linse. Im Inneren des Prismas ist die Wellenlänge des Lichts kürzer (aufgrund des Brechungsindex der Linse), sodass die Wellenfronten (kleine Kreise), die eine Wellenlänge darstellen, dichter beieinander liegen. Sie können sich eine sphärische Linse als aus vielen Prismen bestehend vorstellen, die alle auf die gleiche Weise wirken (obwohl sich die Phasendifferenz je nach Dicke der Linse ändert). Beachten Sie, dass der obere Strahl in meiner Zeichnung genau eine Wellenlänge innerhalb des Prismas und zwei außerhalb hat, während der untere Strahl zwei Wellenlängen innen und nur eine außen hat. In beiden Fällen entspricht die Verbindungslinie der Wellenfronten genau drei Wellenlängen nach der Eintrittsebene des Prismas. Es gibt natürlich unendlich viele Strahlen zwischen diesen beiden - wenn dies nicht der Fall wäre, hätten Sie so etwas wie ein Young's Slits-Experimentaufbau und würden Interferenzmuster sehen (mehrere Richtungen, in denen konstruktive Interferenz auftreten kann).

Übrigens - das Bild, das Sie in Ihrer Frage zeigen, ist sehr irreführend. Die Strahlen ändern nicht "magisch die Richtung" in der Mitte der Linse - stattdessen werden sie sowohl an der Eintrittsfläche als auch an der Austrittsfläche der Linse gebrochen. Das Folgende zeigt, was ich meine (in Wirklichkeit sind die Winkel nicht ganz so gezeichnet - es gibt eine Sache namens "sphärische Aberration", die hier ignoriert wird - aber ich hoffe, Sie verstehen es. Ich habe nur die oberen paar Strahlen innerhalb der Linse eingezeichnet rot; offensichtlich gilt dasselbe für die untere Hälfte):

UPDATE , um zu erklären, wie dies für einen Hohlspiegel funktioniert:

Wenn Sie in diesem Bild einen beliebigen Strahl nehmen, der parallel zur horizontalen Achse verläuft:

Sie können seine Länge berechnen als

Wenn wir nun die Länge unabhängig von auf einen konstanten Wert setzen wollen$h$, Wir können sagen

Was beschreibt$y$als Parabelfunktion von$h$. Mit anderen Worten - in einem parabolischen (konvexen) Spiegel ist die Weglänge für alle Strahlen zum Brennpunkt gleich. Es wird also wieder einmal eine konstruktive Interferenz am Brennpunkt geben.

Wir müssen nicht davon ausgehen, dass Licht in geraden Linien verläuft, wenn es sich in einem einheitlichen Material wie Luft oder Wasser befindet; selbst das ist durch das allgemeine Prinzip der Quantentheorie erklärbar. Es scheint , dass Licht in einer geraden Linie verläuft.$_1$

Licht breitet sich nicht wirklich nur in einer geraden Linie aus; es „riecht“ die benachbarten Pfade um sich herum und nutzt einen kleinen Kern des nahe gelegenen Raums. (Auf die gleiche Weise muss ein Spiegel ausreichend groß sein, um normal zu reflektieren: Wenn der Spiegel zu klein für den Kern benachbarter Pfade ist, streut das Licht in viele Richtungen, egal wo Sie den Spiegel platzieren.)$_2$

In der Quelle emittiert jedes angeregte Atom Licht in einer Zeit in der Größenordnung von$10^{-8}\text{s}$.$_3$Sie könnten Licht in verschiedene Richtungen emittieren und die Photonen sollten nicht unbedingt eine gerade Linie bilden.$_4$

Meiner Meinung nach ist es daher nicht besser für mich, die parallelen Strahlen zu diskutieren, die durch die Linse gehen. Laser kommt in diesem Zusammenhang sicher nicht in Betracht.

Zitat immer in Erinnerung bleiben. „Perfekte Klarheit würde dem Intellekt nützen, aber dem Willen schaden“ – Pascal.

Credits:QED, die seltsame Theorie von Licht und Materie$_1$Seite Nr. 53$_2$Seite Nr. 54-Moderns ABC der Physik$_3$Seite Nr. 974.$_4$Referenz benötigt. Daten unterliegen Änderungen, und Seitennummern können sich je nach Ausgabe ändern.