Fisica classica/Interferenza

Interferenza

Figura di interferenza prodotta da due sorgenti puntiformi coerenti. Si noti l'alternanza di frange chiare e frange scure

L'interferenza è un fenomeno fisico dovuto alla sovrapposizione, in una stessa regione dello spazio, di due o più onde. In tali condizioni, l’onda risultante presenta un’ampiezza che dipende dalla relazione di fase tra le onde sovrapposte e che può quindi risultare maggiore o minore rispetto a quella delle singole onde considerate separatamente. Poiché l’intensità di un’onda è proporzionale al quadrato della sua ampiezza, l’intensità osservata non coincide, in generale, con la semplice somma delle intensità delle onde originarie.

Il termine viene utilizzato soprattutto nel caso di onde coerenti, ossia onde che mantengono nel tempo una differenza di fase costante, generalmente ottenute a partire dalla stessa sorgente.

Sovrapposizione delle onde

L’Interferenza trova la propria origine nel principio di sovrapposizione delle onde, uno dei principi fondamentali della fisica ondulatoria. Esso afferma che, quando due o più onde si propagano simultaneamente nella stessa regione dello spazio, l’oscillazione risultante in ogni punto è data dalla somma delle oscillazioni che ciascuna onda produrrebbe singolarmente.

Nel caso delle onde luminose, ciò significa che il campo elettrico risultante in un punto dello spazio è ottenuto sommando vettorialmente i campi elettrici associati alle singole onde incidenti. Se si considerano due onde armoniche monocromatiche che si propagano nello stesso mezzo, esse possono essere descritte da espressioni del tipo:

$\mathbf {E} _{1}(t)=\mathbf {E} _{01}cos(\omega t+\phi _{1})$

e

$\mathbf {E} _{2}(t)=\mathbf {E} _{02}cos(\omega t+\phi _{2})$

dove $\mathbf {E} _{01}$ e $\mathbf {E} _{02}$ rappresentano le ampiezze delle onde, $\omega$ la pulsazione e $\phi _{1}$, $\phi _{2}$ le rispettive fasi iniziali.

Secondo il principio di sovrapposizione, il campo totale risulta:

$\mathbf {E} (t)=\mathbf {E} _{1}(t)+\mathbf {E} _{2}(t)$

L’onda risultante dipende quindi dalla differenza di fase tra le onde sovrapposte. Quando le oscillazioni sono in fase, cioè quando i massimi e i minimi coincidono, l’ampiezza risultante aumenta e si ha interferenza costruttiva. Quando invece le onde risultano in opposizione di fase, i massimi di una coincidono con i minimi dell’altra e l’ampiezza può ridursi fino ad annullarsi, producendo interferenza distruttiva.

Poiché l’intensità luminosa è proporzionale al quadrato dell’ampiezza del campo elettrico, la sovrapposizione delle onde comporta una distribuzione dell’intensità non uniforme nello spazio. È proprio questa alternanza di massimi e minimi di intensità che dà origine alle figure di interferenza osservabili sperimentalmente.

Il principio di sovrapposizione costituisce quindi il fondamento fisico e matematico dell’interferenza e, più in generale, di tutti i fenomeni dell’ottica ondulatoria.

Condizioni per l’interferenza

Affinché l’interferenza tra onde luminose possa essere osservata in maniera stabile e ben definita, è necessario che le onde coinvolte soddisfino alcune condizioni fondamentali. In assenza di tali condizioni, le variazioni di intensità risultano casuali e il fenomeno interferenziale non è più distinguibile.

La condizione più importante è la coerenza delle onde. Due onde si dicono coerenti quando mantengono nel tempo una differenza di fase costante o comunque sufficientemente stabile. Se la differenza di fase varia rapidamente e in modo imprevedibile, le regioni di interferenza costruttiva e distruttiva cambiano continuamente posizione e l’intensità media osservata tende a uniformarsi.

Un’altra condizione essenziale è che le onde abbiano la stessa frequenza, oppure frequenze molto vicine. Se le frequenze fossero differenti, la differenza di fase cambierebbe continuamente nel tempo, causando uno spostamento rapido delle frange di interferenza e rendendo impossibile osservare una figura stabile. Per questo motivo l’interferenza viene normalmente studiata utilizzando onde monocromatiche.

È inoltre necessario che le onde possiedano polarizzazioni compatibili. Poiché la luce è un’onda elettromagnetica trasversale, il campo elettrico associato alle onde deve oscillare secondo direzioni che consentano la sovrapposizione vettoriale. Due onde polarizzate ortogonalmente non producono interferenza osservabile, poiché i rispettivi campi elettrici oscillano in direzioni indipendenti.

Quando tutte queste condizioni risultano soddisfatte, la sovrapposizione delle onde produce una distribuzione stabile dell’intensità luminosa, caratterizzata dall’alternanza di frange chiare e scure tipica dei fenomeni interferenziali.

Interferenza costruttiva e distruttiva

Nel fenomeno dell’Interferenza, il modo in cui due onde si combinano dipende dalla loro differenza di fase nel punto in cui si sovrappongono. La fase descrive infatti lo stato di oscillazione di un’onda in un determinato istante e consente di stabilire se due onde risultino in accordo oppure in opposizione tra loro.

Quando due onde luminose percorrono cammini differenti prima di raggiungere uno stesso punto dello spazio, esse possono arrivare con un ritardo relativo. Tale ritardo si traduce in una differenza di fase, che determina il tipo di interferenza osservata. Se le onde giungono in fase, l’interferenza è costruttiva; se arrivano in opposizione di fase, l’interferenza è distruttiva.

La grandezza fisica che misura la differenza tra i percorsi seguiti dalle onde è detta differenza di cammino ottico. Indicando con $\Delta s$ la differenza tra i cammini percorsi, la corrispondente differenza di fase $\Delta \phi$ risulta proporzionale al rapporto tra il cammino differenziale e la lunghezza d’onda.

$\Delta \phi ={\frac {2\pi }{\lambda }}\Delta s$

Questa relazione mostra che una differenza di cammino pari a una lunghezza d’onda produce una variazione di fase di $2\pi$, cioè un’oscillazione completa. Analogamente, una differenza di cammino pari a metà lunghezza d’onda corrisponde a una differenza di fase di $\pi$, cioè a un’opposizione di fase.

Da tale relazione derivano le condizioni fondamentali dell’interferenza. L’interferenza costruttiva si verifica quando la differenza di cammino è un multiplo intero della lunghezza d’onda, poiché le onde raggiungono il punto di osservazione in fase tra loro:

$\Delta s=m\lambda$

dove $m$ è un numero intero.

L’interferenza distruttiva si verifica invece quando la differenza di cammino corrisponde a un multiplo dispari di mezza lunghezza d’onda, condizione nella quale le onde risultano sfasate di $\pi$.

$\Delta s=(m+{\frac {1}{2}})\lambda$

La nozione di cammino ottico assume un significato ancora più generale quando le onde si propagano in mezzi differenti. In tal caso non conta soltanto la distanza geometrica percorsa, ma anche l’indice di rifrazione del mezzo attraversato. Il cammino ottico viene quindi definito come il prodotto tra l’indice di rifrazione $n$ e il percorso $s$:

$L=ns$

Due onde che attraversano mezzi diversi possono quindi accumulare differenti fasi anche percorrendo la stessa distanza geometrica. Questo principio è fondamentale nello studio delle lamine sottili, degli interferometri e di numerosi dispositivi ottici basati sull’interferenza.

L’alternanza di condizioni costruttive e distruttive genera le caratteristiche figure di interferenza costituite da successioni regolari di frange luminose e oscure. La distribuzione delle frange dipende dalla lunghezza d’onda della luce utilizzata, dalla geometria dell’apparato sperimentale e dalla differenza di cammino tra le onde interferenti.

Nel caso reale, l’annullamento dell’intensità nei minimi non è sempre perfetto, poiché le onde possono avere ampiezze differenti oppure una coerenza non ideale. Tuttavia il principio fondamentale rimane invariato: l’interferenza è il risultato diretto della sovrapposizione delle oscillazioni ondulatorie e della loro relazione di fase.

Intensità dell’onda risultante

Nel fenomeno dell’Interferenza, la grandezza fisica osservabile non è direttamente il campo elettrico dell’onda luminosa, ma la sua intensità. L’intensità luminosa rappresenta l’energia trasportata dall’onda attraverso una superficie nell’unità di tempo ed è proporzionale al quadrato dell’ampiezza del campo elettrico. Si considerino due onde armoniche coerenti che raggiungono uno stesso punto dello spazio. I rispettivi campi elettrici possono essere scritti nella forma: $\mathbf {E} _{1}(t)=\mathbf {E} _{01}cos(\omega t)$ e $\mathbf {E} _{2}(t)=\mathbf {E} _{01}cos(\omega t+\Delta \phi )$ dove $\mathbf {E} _{01}$ e $\mathbf {E} _{02}$ rappresentano le ampiezze delle onde, $\omega$ la pulsazione e $\Delta \phi$ è la differenza di fase tra esse.

Secondo il principio di sovrapposizione, il campo totale risulta dalla somma dei due contributi: $\mathbf {E} (t)=\mathbf {E} _{1}(t)+\mathbf {E} _{2}(t)$ Per determinare l’intensità risultante è necessario calcolare il valore medio temporale del quadrato del campo totale. Sviluppando il quadrato della somma si ottiene:

$E^{2}=E_{1}^{2}+E_{2}^{2}+2E_{1}E_{2}$

Il termine aggiuntivo $2E_{1}E_{2}$rappresenta il termine interferenziale ed è responsabile delle variazioni di intensità osservate nelle figure di interferenza. Dopo la media temporale, l’intensità risultante assume la forma:

$I=I_{1}+I_{2}+2{\sqrt {I_{1}I_{2}}}\cos(\Delta \phi )$

dove $I_{1}$ e $I_{2}$ sono le intensità associate alle singole onde.

Questa relazione mostra che l’intensità totale non coincide semplicemente con la somma delle intensità delle onde originarie, ma dipende anche dalla loro differenza di fase. Il termine contenente il coseno descrive infatti il fenomeno interferenziale.

Quando le onde arrivano in fase, cioè per:

$\Delta \phi =2m\pi$

il coseno vale 1 e si ottiene la massima intensità possibile:

$I_{max}=({\sqrt {I_{1}}}+{\sqrt {I_{2}}})^{2}$

Questa situazione corrisponde all’interferenza costruttiva.

Quando invece le onde giungono in opposizione di fase:

$\Delta \phi =(2m+1)\pi$

il coseno vale −1 e l’intensità assume il valore minimo:

$I_{min}=({\sqrt {I_{1}}}-{\sqrt {I_{2}}})^{2}$

Nel caso particolare in cui le due onde abbiano la stessa intensità, il minimo può annullarsi completamente, producendo oscurità totale. La formula dell’intensità interferenziale costituisce il risultato fondamentale della teoria dell’interferenza e descrive quantitativamente la distribuzione delle frange luminose e oscure osservate sperimentalmente.

Esperimento di Young

L’esperimento della doppia fenditura di Young costituisce uno degli esperimenti fondamentali dell’ottica ondulatoria e rappresenta una delle prove più importanti della natura ondulatoria della luce. Esso fu realizzato da Thomas Young all’inizio del XIX secolo per mostrare che la luce è in grado di produrre fenomeni di interferenza analoghi a quelli osservati nelle onde meccaniche.

A grande distanza i due raggi luminosi sono pressoché paralleli, per cui la differenza di cammino ottico fra essi corrisponde al tratto $\Delta$.

Nell’esperimento, una sorgente luminosa monocromatica illumina una barriera contenente due fenditure molto strette e vicine tra loro. Le due fenditure agiscono come sorgenti coerenti secondarie: ciascuna di esse emette un’onda luminosa che si propaga oltre la barriera. In una regione distante viene posto uno schermo sul quale le onde provenienti dalle due fenditure si sovrappongono.

Se la luce fosse costituita esclusivamente da particelle indipendenti, sullo schermo si dovrebbero osservare semplicemente due regioni illuminate corrispondenti alle fenditure. In realtà compare una successione regolare di bande luminose e oscure, dette frange di interferenza. Questo fenomeno è spiegabile soltanto assumendo che le onde luminose interferiscano tra loro.

Le frange luminose corrispondono ai punti in cui le onde provenienti dalle due fenditure arrivano in fase, producendo interferenza costruttiva. Le frange oscure si formano invece dove le onde giungono in opposizione di fase, generando interferenza distruttiva.

Indicando con $d$ la distanza tra le fenditure e con $\theta$ l’angolo che individua un punto sullo schermo rispetto alla direzione centrale, la differenza di cammino tra le due onde risulta:

$\Delta =d\sin(\theta )$

Le condizioni di interferenza derivano direttamente dalla differenza di cammino. I massimi di intensità si ottengono quando:

$d\sin(\theta )=m\lambda$

mentre i minimi di intensità si verificano per:

$d\sin(\theta )=(m+{\frac {1}{2}})\lambda$

dove $\lambda$ rappresenta la lunghezza d’onda della luce ed $m$ è un numero intero.

Nel caso in cui lo schermo sia molto distante rispetto alla separazione tra le fenditure, le frange risultano quasi equidistanti. Se $L$ è la distanza tra fenditure e schermo, la distanza della frangia m-sima $y_{m}$ dal centro della figura è approssimativamente eguale a:

$y_{m}={\frac {m\lambda L}{d}}$

Da questa relazione si ricava la distanza tra due frange luminose consecutive, detta interfrangia:

$i={\frac {\lambda L}{d}}$​

L’esperimento di Young ebbe un’importanza storica decisiva perché dimostrò che la luce possiede proprietà ondulatorie.

Successivamente, con lo sviluppo della Meccanica quantistica, l’esperimento assunse un significato ancora più profondo: anche particelle come elettroni e fotoni singoli possono produrre figure di interferenza, evidenziando il carattere duale onda-particella della materia e della radiazione.

Lamine sottili

Un importante caso di interferenza è quello prodotto da lamine sottili trasparenti, cioè strati di materiale il cui speBssore è confrontabile con la lunghezza d’onda della luce incidente. Fenomeni di questo tipo si osservano comunemente nelle bolle di sapone, nelle sottili pellicole d’olio sull’acqua e nei rivestimenti antiriflesso utilizzati in ottica.

Riflesso da una bolla di sapone

Quando un raggio luminoso incide su una lamina sottile, una parte della luce viene riflessa dalla superficie superiore, mentre un’altra parte penetra nel materiale, si riflette sulla superficie inferiore e riemerge successivamente. I due raggi riflessi percorrono quindi cammini ottici differenti e possono interferire tra loro.

La differenza di cammino dipende dallo spessore della lamina, dall’indice di rifrazione del materiale e dall’angolo di incidenza. Nel caso di incidenza quasi normale, la differenza di cammino ottico tra i due raggi riflessi risulta approssimativamente:

$\Delta s=2nt$

dove $n$ è l’indice di rifrazione della lamina e $t$t il suo spessore.

Nell’analisi dell’interferenza da lamine sottili è inoltre necessario considerare le variazioni di fase dovute alla riflessione. Quando la riflessione avviene passando da un mezzo meno rifrangente a uno più rifrangente, l’onda riflessa subisce un’inversione di fase pari a $\pi$, equivalente a una differenza di cammino di mezza lunghezza d’onda. Se invece la riflessione avviene da un mezzo più rifrangente a uno meno rifrangente, non si verifica alcuna inversione di fase.

La presenza o meno di tali inversioni modifica le condizioni di interferenza costruttiva e distruttiva. Per questo motivo, a seconda dello spessore della lamina e della lunghezza d’onda considerata, alcune componenti della luce vengono intensificate mentre altre vengono attenuate.

Nelle bolle di sapone e negli strati d’olio si osservano così le tipiche colorazioni iridescenti. Poiché lo spessore della pellicola non è uniforme, le condizioni di interferenza cambiano da punto a punto e diverse lunghezze d’onda vengono riflesse con diversa intensità. Il risultato è la formazione di bande colorate che variano continuamente con l’angolo di osservazione.

Lo stesso principio viene sfruttato nei trattamenti antiriflesso applicati a lenti e strumenti ottici. In questo caso si deposita sulla superficie una sottilissima pellicola trasparente il cui spessore è scelto in modo tale che le onde riflesse dalle due superfici della lamina interferiscano distruttivamente. Per una determinata lunghezza d’onda, la condizione tipica è:

$2nt={\frac {\lambda }{2}}$

che corrisponde a uno spessore pari a circa un quarto della lunghezza d’onda nel materiale. In tali condizioni la riflessione viene fortemente ridotta, aumentando la trasmissione della luce attraverso la lente.

L’interferenza da lamine sottili rappresenta quindi una delle applicazioni più importanti dell’ottica ondulatoria e mostra come fenomeni apparentemente semplici, come i colori di una bolla di sapone, derivino direttamente dalla sovrapposizione coerente delle onde luminose.

Inteferometri

Gli interferometri sono strumenti ottici che sfruttano il fenomeno dell’interferenza della luce per effettuare misure estremamente precise. Il principio fisico alla base è che due onde luminose coerenti, quando si sovrappongono, possono rafforzarsi oppure annullarsi a seconda della differenza di fase tra di esse. Questo permette di misurare con grande accuratezza distanze, variazioni di indice di rifrazione, lunghezze d’onda e perfino onde gravitazionali.

L’interferenza deriva dalla natura ondulatoria della luce: quando due onde percorrono cammini differenti e poi vengono ricombinate, la differenza di percorso ottico produce frange chiare e scure. Gli interferometri trovano applicazione in fisica sperimentale, astronomia, telecomunicazioni, metrologia e sensoristica.

Gli interferometri rappresentano strumenti fondamentali della fisica sperimentale moderna. Attraverso il fenomeno dell’interferenza della luce consentono misure di precisione straordinaria.

Interferometro di Michelson

Percorso della luce nell'interferometro di Michelson.

L’Interferometro di Michelson è uno dei più celebri interferometri, inventato dal fisico Albert A. Michelson alla fine del XIX secolo. È costituito principalmente da:

• una sorgente luminosa coerente;
• uno specchio semiriflettente (beam splitter);
• due specchi posti perpendicolarmente;
• uno schermo o rivelatore.

Il funzionamento è relativamente semplice: il beam splitter divide il fascio luminoso in due raggi che percorrono due cammini differenti. Dopo essere stati riflessi dagli specchi, i due raggi tornano verso il divisore e si ricombinano producendo interferenza.

Se i due percorsi ottici hanno la stessa lunghezza, si osservano frange stabili. Se uno degli specchi viene spostato anche di una distanza piccolissima, cambia la differenza di fase e il sistema di frange si modifica. Grazie a questa sensibilità, l’interferometro di Michelson permette di misurare spostamenti dell’ordine della lunghezza d’onda della luce.

Una delle applicazioni storiche più importanti fu l’esperimento di Albert A. Michelson e Edward Morley del 1887, noto come Esperimento di Michelson-Morley, che dimostrò l’inesistenza dell’etere e aprì la strada alla teoria della relatività di Albert Einstein.

Oggi il principio di Michelson è utilizzato anche nei rivelatori di onde gravitazionali come VIRGO, nei quali minuscole variazioni di distanza tra gli specchi vengono rilevate tramite interferenza laser.

Interferometro Fabry-Pérot

Rappresentazione grafica del funzionamento dell'interferometro di Fabry-Pérot

L’Interferometro Fabry-Pérot è formato da due specchi paralleli semiriflettenti posti a breve distanza tra loro. La luce entra nella cavità e subisce riflessioni multiple tra gli specchi. Ogni riflessione genera onde che interferiscono tra loro.

L’interferenza è costruttiva solo per determinate lunghezze d’onda che soddisfano la condizione:

$2d\cos \theta =m\lambda$

dove $d$ è la distanza tra gli specchi; $\theta$ è l’angolo del raggio; $m$ è un numero intero; $\lambda$ è la lunghezza d’onda.

Questo interferometro funziona quindi come un filtro molto selettivo per la luce. Solo alcune frequenze vengono trasmesse intensamente, mentre le altre vengono attenuate.

Il Fabry-Pérot viene impiegato in spettroscopia ad alta risoluzione, nei laser e nelle telecomunicazioni ottiche. Grazie alla sua elevata sensibilità spettrale, permette di distinguere lunghezze d’onda molto vicine tra loro. È fondamentale anche negli strumenti astronomici per analizzare la composizione chimica delle stelle e delle galassie.

Dal punto di vista fisico, il Fabry-Pérot rappresenta una cavità risonante: le onde luminose “intrappolate” tra gli specchi si sommano più volte aumentando notevolmente l’intensità della radiazione trasmessa alle frequenze di risonanza.

Interferometro Mach-Zehnder

Schema dell'interferometro di Mach-Zehnder

L’Interferometro Mach-Zehnder è costituito da due beam splitter e due specchi. A differenza dell’interferometro di Michelson, i due fasci percorrono cammini completamente separati e vengono ricombinati solo alla fine.

Il fascio iniziale viene diviso dal primo beam splitter in due raggi distinti. Dopo la riflessione sugli specchi, i raggi si incontrano nel secondo beam splitter, dove avviene l’interferenza. Variando il percorso di uno dei due fasci si ottiene una modifica del pattern interferenziale.

Questo strumento è particolarmente utile per studiare materiali trasparenti, variazioni dell’indice di rifrazione e fenomeni quantistici. In fisica moderna è utilizzato anche negli esperimenti di ottica quantistica e nelle tecnologie fotoniche integrate.

Una caratteristica importante del Mach-Zehnder è che i due bracci sono fisicamente separati; ciò permette di inserire campioni o dispositivi lungo uno dei percorsi senza interferire con l’altro. Per questo motivo viene largamente impiegato nei sensori ottici e nei modulatori per fibre ottiche.

Coerenza della luce reale

La coerenza della luce è una proprietà fondamentale delle onde elettromagnetiche e descrive la capacità di due onde luminose di mantenere una relazione di fase costante nel tempo e nello spazio. Essa è indispensabile per osservare fenomeni di interferenza stabili, come quelli utilizzati negli interferometri.

In teoria, una sorgente perfettamente coerente dovrebbe emettere onde monocromatiche infinite nel tempo e con fase perfettamente stabile. Tuttavia, nella realtà fisica non esistono sorgenti ideali: tutte le sorgenti luminose reali presentano fluttuazioni di frequenza, fase e intensità.

Una sorgente ideale emetterebbe una singola frequenza perfettamente definita:

$\mathbf {E} (t)=\mathbf {E} _{0}cos(\omega t+\phi )$

dove $\mathbf {E} _{0}$ rappresenta l'ampiezza dell'onda, <math<\omega</math> la pulsazione e $\phi$, $\phi$ la fase costante.

In questo caso la differenza di fase tra due punti dell’onda rimane invariata nel tempo e l’interferenza è sempre perfettamente stabile.

Le sorgenti reali, invece, non emettono una sola frequenza pura ma un intervallo di frequenze. Inoltre gli atomi che emettono luce compiono transizioni casuali e indipendenti, causando continue variazioni della fase dell’onda luminosa.

Per questo motivo la luce reale può essere rappresentata come una sovrapposizione di molte onde con frequenze leggermente differenti. Ne consegue che la relazione di fase si perde dopo un certo intervallo di tempo.

Coerenza temporale

La coerenza temporale riguarda la capacità di un’onda di mantenere costante la propria fase nel tempo ed è strettamente legata alla monocromaticità della sorgente luminosa. Una sorgente perfettamente monocromatica possiederebbe una coerenza temporale ideale, mentre sorgenti reali presentano sempre una certa distribuzione di frequenze che limita la persistenza dell’interferenza.

La misura della coerenza temporale è dato dal tempo in cui un’onda mantiene una fase prevedibile. Essa dipende dalla larghezza spettrale della sorgente: più una sorgente è monocromatica, maggiore sarà la sua coerenza.

Il tempo di coerenza $\tau _{c}$ è circa eguale all'inverso della larghezza di banda $\Delta \nu$:

$\tau _{c}\approx {\frac {1}{\Delta \nu }}$

Alla coerenza temporale è associata la lunghezza di coerenza:

$L_{c}=c\tau _{c}$

che rappresenta la massima differenza di cammino ottico per cui si osservano ancora frange di interferenza nitide.

Per esempio una lampada a incandescenza possiede una lunghezza di coerenza molto piccola (micrometri), mentre una sorgente laser può avere lunghezze di coerenza di molti metri o persino chilometri.

Coerenza spaziale

La coerenza spaziale riguarda invece la correlazione di fase tra punti differenti di un fronte d’onda. Essa determina la possibilità che onde provenienti da regioni diverse della sorgente interferiscano tra loro producendo figure stabili. Sorgenti molto estese tendono ad avere una coerenza spaziale ridotta, mentre sorgenti puntiformi o collimated presentano una maggiore coerenza.

Se la coerenza spaziale è bassa, le frange di interferenza diventano poco contrastate o scompaiono.

Per aumentare la coerenza spaziale spesso si usano fenditure molto strette, fibre ottiche e collimatori.

La coerenza spaziale è particolarmente importante negli esperimenti interferometrici e nell’olografia.

Luce termica e luce laser

Le comuni sorgenti luminose, come lampade a incandescenza o il Sole, producono luce termica. In queste sorgenti gli atomi emettono radiazione spontaneamente e in modo casuale. La fase delle onde emesse è quindi disordinata e la coerenza risulta molto limitata.

I laser, invece, rappresentano le sorgenti più coerenti oggi disponibili. I laser (acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) che sfruttano l’emissione stimolata, prevista da Albert Einstein nel 1917. In questo processo un fotone induce un atomo eccitato a emettere un secondo fotone identico che ha quindi stessa frequenza, direzione, polarizzazione e fase. Di conseguenza il fascio laser è molto coerente.

I laser hanno rivoluzionato l’ottica interferometrica perché permettono di ottenere elevata coerenza temporale e spaziale accompagnata da grande intensità luminosa e forte direzionalità.

La coerenza è la proprietà che rende possibile l’interferenza stabile della luce. Le sorgenti ideali avrebbero coerenza perfetta, ma nella realtà tutte le sorgenti presentano limiti dovuti a fluttuazioni di fase e frequenza. Le sorgenti termiche mostrano una coerenza ridotta, mentre i laser producono luce altamente coerente grazie all’emissione stimolata.

Lo sviluppo dei laser ha reso possibile la moderna ottica di precisione, permettendo misure estremamente accurate e applicazioni scientifiche e tecnologiche avanzate.