Цель работы: ознакомление с дифракционными картинами различных типов; определение ширины прямоугольной щели при изучении явления дифракции в монохроматическом свете; определение длин волн красного и фиолетового света.
Приборы и принадлежности: дифракционная решетка, экран со щелью, линейка с делениями, осветитель, штатив; установка РМС 3.
Теоретические сведения
Явление дифракции состоит в отклонении света от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями в виде краев непрозрачных и прозрачных тел, узких отверстий, выступов и т.д., в результате чего свет проникает в область геометрической тени, и происходит интерференционное перераспределение интенсивности света. Под дифракцией следует понимать любое отклонение от прямолинейного распространения лучей, если только оно не является следствием обычных законов геометрической оптики – отражения и преломления. Явление дифракции объясняется волновыми свойствами света с использованием принципа Гюйгенса-Френеля.
Основные положения этого принципа:
Каждый элемент волновой поверхности, которой достигла в данный момент световая волна, служит источником вторичных волн, амплитуда которых пропорциональна площади элемента.
Вторичные волны, созданные элементами одной и той же поверхности, когерентны и при наложении могут интерферировать.
Излучение максимально в направлении внешней нормали к элементу поверхности. Амплитуда сферической волны убывает с расстоянием от источника. Излучают только открытые участки волновой поверхности.
Этот принцип дает возможность утверждать отступления от прямолинейного распространения в случае любой преграды. Рассмотрим случай падения плоской волны (параллельного пучка света) на преграду в виде отверстия MN в непрозрачной пластине (рис. 2.1).
элементарные волны в момент времени t 2 , определяет волновой фронт с поверхностью П 2 .
Из рис. 2.1 видно, что световые лучи, будучи перпендикулярны волновому фронту, отклоняются от своего первоначального направления и попадают в область геометрической тени.
Решить задачу о дифракции света – значит исследовать вопросы, относящиеся к интенсивности результирующей световой волны в различных направлениях. Основным вопросом при этом исследовании является изучение интерференции света, при которой налагающиеся волны могут не только усиливаться, но и ослабляться. Одним из важных случаев дифракции является дифракция в параллельных лучах. Она используется при рассмотрении действия оптических приборов (дифракционная решетка, оптические инструменты, и т. д.). Дифракционная решетка в простейшем случае представляет собой стеклянную прозрачную пластинку, на которой нанесены штрихи равной ширины на одинаковом расстоянии друг от друга. Такая решетка может быть использована в спектральной установке обычного типа вместо призмы как диспергирующая система. Чтобы легче было разобраться в довольно сложном физическом явлении интерференции дифрагированных пучков света на Nщелях решетки, рассмотрим вначале дифракцию на одной, затем на двух щелях и, наконец, запишем выражение дляNщелей. Чтобы упростить расчёт, используем метод зон Френеля.
Дифракция на одной щели . Рассмотрим дифракцию в параллельных лучах на одной щели. Тип дифракции, при котором рассматривается дифракционная картина, образованная параллельными лучами, получил название дифракции в параллельных лучах, или дифракции Фраунгофера. Щель представляет собой прямоугольное отверстие в непрозрачной пластине, причем одна из сторон намного больше другой. Меньшая сторона называется шириной щелиа . Такая щель является препятствием для световых волн, и на ней можно наблюдать дифракцию. В лабораторных условиях дифракция на щели отчетливо наблюдается, если ширина щелиа сравнима по величине с длиной световой волны. Пусть монохроматическая световая волна падает нормально к плоскости щели ширинойa (расстояние АВ). За щелью установлены собирающая линза и экран, помещённый в фокальной плоскости линзы. Схема представлена на рис. 2.2.
Согласно принципу Гюйгенса, каждая
точка фронта волны, дошедшей до щели,
является новым источником колебаний,
причём фазы этих волн одинаковы, так
как при нормальном падении света
плоскость щели совпадает с плоскостью
волнового фронта. Рассмотрим лучи
монохроматического света от точек,
лежащих на фронте АВ, направление
распространения которых составляет
угол
с нормалью. Опустим из точки А перпендикуляр
АС на направление луча, распространяющегося
из точки В. Тогда, распространяясь дальше
от АС, лучи не изменят разность хода.
Разностью хода лучей является отрезок
ВС. Для расчёта интерференции этих лучей
применим метод зон Френеля.
Разделим отрезок ВС на отрезки длиной . На ВС уложитсяzтаких трезков:
Проведя из концов этих отрезков линии, параллельные АС, до встречи с АВ, разобьем фронт волны в щели на ряд полосок одинаковой ширины, количество которых равно z. Они и являются зонами Френеля, так как соответствующие точки этих полосок являются источниками волн, дошедших до точки наблюдения М по данному направлению с взаимной разностью хода. Амплитуды волн от полосок будут одинаковы, потому что фронт плоский и площади их равны. Согласно теории зон Френеля, лучи от двух соседних зон гасят друг друга, так как фазы их противоположны. Тогда при чётном числе зон Френеля (z=2m, гдеm– целое число,m=1,2,3...), укладывающихся в щели, в точке М будет минимум дифракции, а при нечётном (z=(2m+1)) – максимум. Уравнение (1) тогда запишем следующим образом:
Распределение интенсивности в дифракционной картине от одной щели показано на рис. 2.3. По оси абсцисс отложено расстояние от нулевого максимума вдоль экрана, на котором располагается спектральная картина.
Дифракция на двух щелях . Для увеличения интенсивности и более чёткого разделения цветов пользуются не одной щелью, а дифракционной решёткой, которая представляет собой ряд параллельных щелей одинаковой шириныa , разделенных между собой непрозрачными промежутками ширинойb . Суммаa + b = d называется периодом или постоянной дифракционной решетки.
Для того чтобы найти распределение освещенности на экране в случае решетки, необходимо учесть не только интерференцию волн, вышедших из каждой отдельной щели, но и взаимную интерференцию волн, пришедших в данную точку экрана из соседних щелей. Допустим, что имеется всего две щели. Монохроматическая волна падает нормально к плоскости щелей. Когда в щели укладывается четное число зон Френеля, выполняется условие минимума для щели. Поскольку для каждой щели выполняется условие минимума, то и для всей решетки тоже. Следовательно, условие минимума, для решетки совпадает с условием минимума для щели, оно называется условием главного минимума, и имеет вид:
.
Рассмотрим случай, когда в щели
укладывается нечетное число зон Френеля.
При этом в каждой щели останется по
одной нескомпенсированной зоне Френеля,
в которой все источники света колеблются
в одной фазе. Эти нескомпенсированные
лучи, прошедшие через одну из щелей,
будут интерферировать с нескомпенсированными
лучами, прошедшими через другую щель.
Выберем два произвольно направленных
луча (рис. 2.4), исходящих из соответствующих
точек соседних щелей и падающих в одну
точку на экране. Их интерференцию
определяет разность хода BC=d
sin
.
ЕслиBC= , то в точке М свет усилен. Уравнение
определяет
главные максимумы. Если, 
,
то в точке М свет ослаблен. Уравнение
является условием добавочных минимумов, появившихся вследствие наличия второй щели.
Если b a , то ширина основной части дифракционной картины от двух щелей остаётся прежней. Большая часть энергии сосредоточена в пределах центрального максимума. Пунктиром показано распределение интенсивности для одной щели. Еслиb a дифракционная картина будет несколько сужена. Приb =0 получаются пики, которые в 2 раза уже, так как имеется не две щели ширинойa , а одна щель шириной 2a .
Дифракция на N щелях . Расчет дифракционной картины на дифракционной решетке довольно сложен с математической точки зрения, но в принципе ничем не отличается от рассмотрения дифракции на двух щелях. Следует учесть, что в случае дифракции на двух щелях появляется некоторое число дополнительных максимумов и минимумов. При наличии третьей щели, их число возрастает, так как необходимо учесть вклад в дифракционную картину от каждой щели. По мере роста числа щелей на дифракционной решетке растет число дополнительных максимумов и минимумов. Условие главных максимумов и минимумов для дифракционной решетки остаётся тем же самым, что и для двух щелей:
,m=0,1,2… (главные максимумы),
(2.2)
,m=1,2,3… (главные минимумы),
(2.3)
а дополнительные минимумы определяются условием:
,m=0,1,2…
(2.4)
Если дифракционная решетка состоит из Nщелей, то условием главных максимумов является условие (2.2), а главных минимумов условие (2.3).
Условие дополнительных минимумов:
где N- общее число щелей решетки (m=1, 2,…,N-1,N+1,…, 2N-1, 2N+1,…). В формуле (2.5)mпринимает все целочисленные значения, кроме 0,N, 2N, т. е. кроме тех, при которых условие (2.5) переходит в (2.2).
Сравнивая формулы (2.2) и (2.5), видим, что
число главных максимумов в Nраз меньше общего числа дополнительных
минимумов. Действительно, число (или
порядок) дополнительных минимумов,
отвечающих углу
,
получается из формулы (2.2) следующим:
а общее число дополнительных минимумов, как видно из формулы (2.5),
откуда следует .
Таким образом, между двумя главными максимумами находится (N-1) дополнительных минимумов, разделенных побочными максимумами. Вклад этих побочных максимумов в общую дифракционную картину невелик, так как интенсивность их мала и быстро убывает по мере удаления от главного максимума данного порядка. Поскольку с увеличением числа штрихов решетки все большее количество световой энергии проходит через нее и одновременно происходит увеличение числа дополнительных максимумов и минимумов. Это означает, что главные максимумы становятся более узкими и яркость их возрастает, то есть возрастает разрешающая способность решетки.
Если на решетку падает свет, содержащий ряд спектральных компонентов, то в соответствии с формулой (2.2), главные максимумы для разных компонентов образуются под разными углами. Таким образом, решетка разлагает свет в спектр.
Характеристиками решетки как спектрального прибора является угловая дисперсия и разрешающая способность.
Угловой дисперсией называется величина
,
где
- угловое расстояние между двумя
спектральными линиями, отличающимися
по длине волны на
.
Дифференцируя формулу (2), получим:
Разрешающей способностью называется
величина
,
где
-
наименьшая разность длин волн двух
спектральных линий, которые видны в
спектре раздельно.
Согласно критерию Релея две близкие линии считают разрешенными (видны раздельно), в том случае, если интенсивность в промежутке между ними составляет не более 80% от интенсивности максимума, т.е. I=0,8I 0 , гдеI 0 – интенсивность главного максимума,I– интенсивность промежутка между двумя соседними максимумами (рис. 2.6).
Из условия Релея следует:
т.е. разрешающая способность решетки растет с увеличением числа щелей Nи зависит от порядка спектра.
ЗАДАНИЕ 1. Определение длин волн красного и фиолетового света.
Экспериментальная установка состоит из штатива, на котором закреплена горизонтально расположенная линейка с делениями, дифракционная решетка, экран со щелью (для получения узкого пучка света) и осветитель. Используемая в работе дифракционная решетка имеет на 1 мм 100 штрихов, т.е. период решетки d =0,01 мм. Луч света, проходя через узкую щель, а затем дифракционную решетку, попадает на хрусталик глаза, который играет роль двояковыпуклой линзы. В дальнейшем распространении изображение спектров и шкалы с делениями на экране со щелью доходит до сетчатки глаза. Таким образом мы видим изображение спектров на шкале.
Из условия максимума m-го порядка для дифракционной решетки выражается длина волны:
где d – период дифракционной решетки, sin φ – синус угла, при котором наблюдается данная линия в спектре, m – порядок спектра, в котором наблюдается линия.
Углы φ m , под которыми наблюдаются линии в спектрах, являются малыми, поэтому sin φ m ≈ tg φ m . Используя это условие, получим:
Формула (2.6) является рабочей для определения длины волны наблюдаемой линии в спектре m-го порядка.
Порядок выполнения работы
Включить осветитель.
Установить экран со щелью на расстояние L от дифракционной решетки.
Приблизить глаз к решетке на удобное расстояние (по обе стороны от щели на черном фоне шкалы должны быть видны дифракционные спектры). При этом глаз должен находиться на близком расстоянии от решетки (рис. 2.7).
По шкале экрана определить положение красных и фиолетовых линий S в спектрах 1-го и 2-го порядка, расположенных справа и слева от щели для различных расстояний L (L=15 см, 20 см, 25 см). Результаты измерений занести в табл. 1.
Таблица 1
|
Порядок спектра m | ||||||||||
Вычислить tgφ по формуле:
.
По формуле (2.6) вычислить длины волн красного и фиолетового света для спектров различных порядков и для разных расстояний L.
Вычислить среднее арифметическое значение длины волны для красного и фиолетового света по формуле:
,
где n – число измерений.
.
,
где t α (n) – коэффициент Стьюдента, α=0,95, t 0,95 (6)=2,6.
λ= ±Δλ, нм; α=0,95.
ЗАДАНИЕ 2. Определение длины волны излучения при дифракции на щели.
Описание лабораторной установки
Объект МОЛ-1 представляет собой тонкий стеклянный диск с непрозрачным покрытием и прозрачными структурами, расположенными в трех рядах: ряд А – двойные щели, ряд В – круглые отверстия, ряд С – одиночные щели. Общее количество щелей в ряде С составляет 16. Излучение от лазера направляется на нужную структуру на поверхности объекта МОЛ-1. На экране при этом наблюдается соответствующая дифракционная картина.
Из условия минимума m-го порядка для щели выражается длина волны излучения:
где а – ширина щели, sin φ – синус угла, при котором наблюдается минимум, m – порядок минимума.
Углы φ m , под которыми наблюдаются минимумы, являются малыми, поэтому sin φ m ≈ tg φ m . Используя это условие, получим:
Формула (2.7) является рабочей для определения длины волны излучения лазера.
Порядок выполнения работы
Согласно табл. 2 выбрать щели для изучения в ряде С – не менее трех (по указанию преподавателя).
Таблица 2
Включить лазер. Установить щель на расстояние L до экрана. Регулируя юстировочные винты, добиться нужного направления излучения на исследуемую щель в ряде С на тест – объекте МОЛ-1. Получить четкую дифракционную картину.
Закрепить на экране чистый лист бумаги. Отметить на нем расстояния S от середины центрального максимума до середины минимумов первого, второго и третьего порядков вправо и влево от центрального максимума (т.е. для порядков m=±1, ±2, ±3). Измерить расстояние L.
Сняв лист, тщательно измерить линейкой отмеченные расстояния S. Результаты измерений занести в табл. 3.
Таблица 3
|
S СРЕДНЕЕ | |||||||
.
Вычислить tgφ по формуле:
Вычислить среднее арифметическое значение длины волны по формуле:
,
где n – число измерений.
Вычислить оценку средней квадратичной ошибки по формуле:
.
Вычислить границу случайной погрешности по формуле:
,
где t α (n) – коэффициент Стьюдента, α=0,95, t 0,95 (9)=2,31.
Записать окончательный результат в виде:
λ= ±Δλ, нм; α=0,95.
Контрольные вопросы
Какие волны называются когерентными?
В чем заключаются явления интерференции и дифракции света?
Что называют волновым фронтом, волновой поверхностью?
В чем заключается метод зон Френеля?
Сформулируйте принцип Гюйгенса – Френеля.
Нарисуйте и объясните дифракционные картины, получаемые от одной щели и от дифракционной решетки при освещении их монохроматическим и белым светом.
Объясните возникновение главного максимума, главного минимума и дополнительного минимума при дифракции на решетке. Записать их формулы.
Как изменится вид дифракционной картины от решетки, если источник света заменить монохроматическим?
Расскажите о применении дифракции в науке и технике.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
Дифракция
Изначально явление дифракции трактовалось как огибание волной препятствия , то есть проникновение волны в область геометрической тени. С точки зрения современной науки определение дифракции как огибания светом препятствия признается недостаточным (слишком узким) и не вполне адекватным. Так, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн (в случае учёта их пространственного ограничения) в неоднородных средах.
Дифракция волн может проявляться:
Наиболее хорошо изучена дифракция электромагнитных (в частности, оптических) и акустических волн, а также гравитационно-капиллярных волн (волны на поверхности жидкости).
В явлении дифракции важную роль играют исходные размеры области волнового поля и исходная структура волнового поля, которая подвержена существенной трансформации в случае, если элементы структуры волнового поля сравнимы с длиной волны или меньше её.
Например, ограниченный в пространстве волновой пучок имеет свойство «расходиться» («расплываться») в пространстве по мере распространения даже в однородной среде. Данное явление не описывается законами геометрической оптики и относится к дифракционным явлениям (дифракционная расходимость, дифракционное расплывание волнового пучка).
Исходное ограничение волнового поля в пространстве и его определённая структура могут возникнуть не только за счёт присутствия поглощающих или отражающих элементов, но и, например, при порождении (генерации, излучении) данного волнового поля.
Следует заметить, что в средах, в которых скорость волны плавно (по сравнению с длиной волны) меняется от точки к точке, распространение волнового пучка является криволинейным (см. градиентная оптика , градиентные волноводы, мираж). При этом волна также может огибать препятствие. Однако такое криволинейное распространение волны может быть описано с помощью уравнений геометрической оптики, и это явление не относится к дифракции.
Вместе с тем, во многих случаях дифракция может быть и не связана с огибанием препятствия (но всегда обусловлена его наличием). Такова, например, дифракция на непоглощающих (прозрачных), так называемых фазовых, структурах.
Поскольку, с одной стороны, явление дифракции света оказалось невозможным объяснить с точки зрения лучевой модели, то есть с точки зрения геометрической оптики, а с другой стороны, дифракция получила исчерпывающее объяснение в рамках волновой теории, то наблюдается тенденция понимать её проявление как любое отступление от законов геометрической оптики .
При этом следует заметить, что некоторые волновые явления не описываются законами геометрической оптики и, в то же время, не относятся к дифракции. К таким типично волновым явлениям относится, например, вращение плоскости поляризации световой волны в оптически активной среде, которое дифракцией не является.
Вместе с тем, единственным результатом так называемой коллинеарной дифракции с преобразованием оптических мод может быть именно поворот плоскости поляризации, в то время как дифрагированный волновой пучок сохраняет исходное направление распространения. Такой тип дифракции может быть реализован, например, как дифракция света на ультразвуке в двулучепреломляющих кристаллах, при которой волновые векторы оптической и акустической волн параллельны друг другу.
Ещё один пример: с точки зрения геометрической оптики невозможно объяснить явления, имеющие место в так называемых связанных волноводах, хотя эти явления также не относят к дифракции (волновые явления, связанные с «вытекающими» полями).
Раздел оптики «Оптика кристаллов», имеющей дело с оптической анизотропией среды, также имеет лишь косвенное отношение к проблеме дифракции. В то же самое время он нуждается в корректировке используемых представлений геометрической оптики. Это связано с различием в понятии луча (как направления распространения света) и распространения волнового фронта (то есть направления нормали к нему)
Отступление от прямолинейности распространения света наблюдается также в сильных полях тяготения. Экспериментально подтверждено, что свет, проходящий вблизи массивного объекта, например, вблизи звезды, отклоняется в её поле тяготения в сторону звезды. Таким образом, и в данном случае можно говорить об «огибании» световой волной препятствия. Однако, это явление также не относится к дифракции.
Исторически в проблеме дифракции сначала рассматривались два крайних случая, связанных с ограничением препятствием (экраном с дыркой) сферической волны и это была дифракция Френеля , либо плоской волны на щели или системе отверстий - дифракция Фраунгофера
Распределение интенсивности света при дифракции на щели
В качестве примера рассмотрим дифракционную картину возникающую при прохождении света через щель в непрозрачном экране. Мы найдём интенсивность света в зависимости от угла в этом случае. Для написания исходного уравнения используем принцип Гюйгенса .
Рассмотрим монохроматическую плоскую волну с амплитудой с длиной волны λ, падающую на экран с щелью ширины a .
пусть (x′,y′,0) - точка внутри разреза, по которому мы интегрируем. Мы хотим узнать интенсивность в точке (x,0,z). Щель имеет конечный размер в x направлении (от до ), и бесконечна в y направлении ([, ]).
Расстояние r от щели определяется как:
Исследованием дифракции радиоволн занимается геометрическая теория дифракции
Дифракционная решётка - оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Первое описание явления сделал Джеймс Грегори , который использовал в качестве решётки птичьи перья.
Одним из наглядных примеров дифракции света на ультразвуке является дифракция света на ультразвуке в жидкости. В одной из постановок такого эксперимента в оптически-прозрачной ванночке в форме прямоугольного параллелепипеда с оптически-прозрачной жидкостью с помощью пластинки из пьезоматериала на частоте ультразвука возбуждается стоячая волна . В её узлах плотность воды ниже, и как следствие ниже её оптическая плотность , в пучностях - выше. Таким образом, при этих условиях ванночка с водой становится для световой волны фазовой дифракционной решёткой, на которой осуществляется дифракция в виде изменения фазовой структуры волн, что можно наблюдать в оптический микроскоп методом фазового контраста или методом тёмного поля .
Дифракция электронов - процесс рассеяния электронов на совокупности частиц вещества, при котором электрон проявляет свойства, аналогичные свойствам волны. При выполнении некоторых условий, пропуская пучок электронов через материал можно зафиксировать дифракционную картину, соответствующую структуре материала. Процесс дифракции электронов получил широкое применение в аналитических исследованиях кристаллических структур металлов, сплавов, полупроводниковых материалов.
Дифракция от трехмерной периодической структуры, такой как атомы в кристалле называется дифракцией Брегга. Это похоже на то, что происходит, когда волны рассеиваются на дифракционной решётке. Брегговская дифракция является следствием интерференции между волнами, отражёнными от кристаллических плоскостей. Условие возникновения интерференции определяется законом Вульфа-Брегга:
,D - расстояние между кристаллическими плоскостями, θ угол скольжения - дополнительный угол к углу падения, λ - длина волны , n (n = 1,2…) - целое число называемое порядком дифракции .
Брегговская дифракция может осуществляться при использовании света с очень маленькой длиной волны, такого как рентгеновское излучение, либо волны материи, такие как нейтроны и электроны , длины волн которых сравнимы или много меньше, чем межатомное расстояние. Получаемые данные дают информацию о межплоскостных расстояния, что позволяет вывести кристаллическую структуру. Дифракционный контраст, в электронных микроскопах и рентгеновских топографических устройствах, в частности, также является мощным инструментом для изучения отдельных дефектов и локальных полей деформации в кристаллах.
Основы теории дифракции были заложены при изучении дифракции света в первой половине XIX века в трудах Юнга и Френеля . Среди других учёных, которые внесли значительный вклад в изучение дифракции: Гримальди , Гюйгенс , Араго , Пуассон , Гаусс , Фраунгофер , Бабине, Кирхгоф , Аббе , У. Г. Брэгг и У. Л. Брэгг , фон Лауэ , Роуланд, Зоммерфельд, Леонтович , Фок , Ван-Циттерт, Цернике (см. История оптики).
Обнаружение дифракции частиц (электронов) в 1927 году (опыт Дэвиссона и Джермера) сыграло большую роль в подтверждении существования волн де Бройля и в подтверждении концепции корпускулярно-волнового дуализма (идеи двойственной природы волн и частиц). В и XXI веках продолжились исследования дифракции волн на сложных структурах.
Дифракцию можно наблюдать в фотографии : чрезмерное закрытие диафрагмы (относительного отверстия) приводит к падению резкости. Поэтому для сохранения оптимально резкого изображения на фотографии не рекомендуется полностью закрывать диафрагму. Нужно отметить, что для каждого объектива существует свои границы до которых стоит закрывать диафрагму, в большинстве случаев они равны f/11.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Дифракция является одним из важных эффектов, характерных для волны любой природы. Это явление человек учитывает при изготовлении оптических и звуковых приборов (микроскопов, телескопов, громкоговорителей). В данной статье речь пойдет о дифракции на щели света.
Перед тем как говорить о дифракции на щели, следует познакомиться с понятием этого явления. Любая волна (звук, свет), которую сгенерировал некоторый источник, будет распространяться параллельно и прямолинейно, если параметры пространства, в котором она движется, сохраняются неизменными. Например, для света такими параметрами будут плотность среды и характеристики гравитационного поля.
Дифракция - это отклонение от прямолинейного распространения волны, когда на своем пути она встречает непрозрачное препятствие. В результате такого искривления траектории волна распространяется в некоторые области пространства за препятствием.
Дифракция бывает двух типов:
Чтобы ответить на вопрос, необходимо вспомнить про принцип Гюйгенса-Френеля, который был предложен Христианом Гюйгенсом в середине XVII века, а затем уточнен для электромагнитных представлений о свете Огюстеном Френелем в первой половине XIX века.
Отмеченный принцип гласит, что каждая точка волнового фронта, в свою очередь, также является источником вторичных волн. Когда свет движется в гомогенной среде, то результат сложения амплитуд вторичных волн приводит к расширению и распространению волнового фронта. Когда свет встречает непрозрачное препятствие, то многие источники вторичных волн блокируются, результирующая же волна немногих оставшихся источников имеет отличную от первоначальной траекторию, то есть возникает дифракция.
Отмеченное явление легко объяснить на словах, однако для получения траекторий дифрагированных волн от разных препятствий следует использовать уравнения Максвелла для электромагнитных волн. Эта математическая задача является достаточно трудоемкой и для общего случая она не имеет решения.
На практике пользуются часто не максвелловской теорией, а упомянутым принципом Гюйгенса-Френеля. Но даже его применение предполагает введения ряда приближений при получении математических законов дифракции.
Ниже при рассмотрении дифракции на щели будем полагать, что фронт волны является плоским и горизонтально падает на отверстие. Кроме того, полученную картину будем анализировать вдали от щели. Совокупность этих условий свойственна так называемой дифракции Фраунгофера.
Предположим, что на щель шириной b падает плоский фронт световой волны длиной λ. После прохождения через щель на удаленном экране возникает следующая световая (дифракционная) картина: напротив щели имеется яркий максимум, именно на него приходится большая часть интенсивности волны (до 90 % от первоначальной). Слева и справа от него появятся другие максимумы менее яркие, которые разделены темными полосами (минимумами). Ниже на рисунке приведен соответствующий график и формула для интенсивности I полос на дифракционной картине.
В формуле β - это угол наблюдения.
Из графика видно, что условия максимума при дифракции на щели можно записать так:
sin(β) = λ * (2 * m + 1) / (2 * b), если m = 1, 2, 3,...
sin(β) = λ * (2 * m - 1) / (2 * b), если m = -1, -2, -3,...
sin(β) = 0 - центральный максимум.
С увеличением угла наблюдения интенсивность максимумов уменьшается.
Важно понимать, что описанная дифракционная картина является результатом не только явления дифракции, но и интерференции, то есть наложения друг на друга волн с различной фазой. Явление интерференции налагает некоторые условия, при которых можно наблюдать дифракционную картину. Главным из них является когерентность дифрагированных волн, то есть постоянство разности их фаз во времени.
Что будет происходить с дифракцией на щели, если увеличивать или уменьшать ширину последней. В приведенных в предыдущем пункте выражениях для максимумов ширина щели b стоит в знаменателе. Это означает, что при увеличении ее значения угол наблюдения максимумов будет уменьшаться, то есть они будут сужаться. Центральный пик будет становиться более узким и интенсивным. Этот вывод согласуется с тем фактом, что чем больше ширина щели, тем слабее на ней проявляется дифракция.
Рисунок выше демонстрирует отмеченный вывод.
Заметим, что при постоянной ширине щели b сделать узкими пики (ослабить дифракцию) можно, если уменьшить длину волны света (λ).
Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле – любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшое отверстие в экранах и т.д.
Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате наложения (суперпозиции) волн. По историческим причинам отклонение от закона независимости световых пучков, возникающее в результате суперпозиции когерентных волн, принято называть интерференцией волн. Отклонение от закона прямолинейного распространения света, в свою очередь, принято называть дифракцией волн.
Наблюдение дифракции осуществляется обычно по следующей схеме. На пути световой волны, распространяющейся от некоторого источника, помещается непрозрачная преграда, закрывающая часть волновой поверхности световой волны. За преградой располагается экран, на котором возникает дифракционная картина.
Различают два вида дифракции. Если источник света S и точка наблюдения P расположены от препятствия настолько далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку P , образуют практически параллельные пучки, говорят о дифракции в параллельных лучах или о дифракции Фраунгофера . В противном случае говорят о дифракции Френеля . Дифракцию Фраунгофера можно наблюдать, поместив за источником света S и перед точкой наблюдения P по линзе так, чтобы точки S и P оказались в фокальной плоскости соответствующей линзы (рис.).
Принципиально дифракция Фраунгофера не отличается от дифракции Френеля. Количественный критерий, позволяющий установить, какой вид дифракции имеет место, определяется величиной безразмерного параметра , где b – характерный размер препятствия, l – расстояние между препятствием и экраном, на котором наблюдается дифракционная картина, – длина волны. Если
Явление дифракции качественно объясняется с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени. Для монохроматической волны волновая поверхность есть поверхность, на которой колебания совершаются в одинаковой фазе.
Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране (рис.). Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн (в изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т.е. огибает края отверстия.
Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а, следовательно, и об интенсивности на фронте волны. Из повседневного опыта известно, что в большом числе случаев лучи света не отклоняются от их прямолинейного распространения. Так, предметы, освещенные точечным источником света, дают резкую тень. Таким образом, принцип Гюйгенса нуждается в дополнении, позволяющем определять интенсивность волны.
Френель дополнил принцип Гюйгенса идеей интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля , световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S , может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, излучаемых малыми элементами некоторой замкнутой поверхности, охватывающей источник S . Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому источники вторичных волн действуют синфазно. В аналитическом виде для точечного источника этот принцип записывается в виде
, (1)
где
E
–
световой вектор, включающий в себя
временную зависимость
,
k
– волновое число,
r
– расстояние от точки
P
на поверхности
S
до точки
P
,
K
– коэффициент, зависящий от ориентации
площадки по отношению к источнику и
точке
P
.
Правомерность формулы (1) и вид функции
K
устанавливается
в рамках электромагнитной теории света
(в оптическом приближении).
В том случае, когда между источником S и точкой наблюдения P имеются непрозрачные экраны с отверстиями, действие этих экранов может быть учтено следующим образом. На поверхности непрозрачных экранов амплитуды вторичных источников считаются равными нулю; в области отверстий амплитуды источников такие же, как при отсутствии экрана (так называемое приближение Кирхгофа).
Метод зон Френеля. Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в принципе найти амплитуду результирующей волны в любой точке пространства и решить задачу о распространении света. В общем случае расчет интерференции вторичных волн по формуле (1) довольно сложный и громоздкий. Однако ряд задач можно решить, применив чрезвычайно наглядный прием, заменяющий сложные вычисления. Метод этот получил название метода зон Френеля .
Суть метода разберем на примере
точечного источника света
S
.
Волновые поверхности представляют
собой в этом случае концентрические
сферы с центром в
S
.
Разобьем изображенную на рисунке
волновую поверхность на кольцевые зоны,
построенные так, что расстояния от краев
каждой зоны до точки
P
отличаются на
.
Обладающие таким свойством зоны
называются
зонами Френеля
.
Из рис. видно, что расстояние
от внешнего края –
m
-й
зоны до точки
P
равно
,
где
b
–
расстояние от вершины волновой поверхности
O
до точки
P
.
Колебания, приходящие в точку P от аналогичных точек двух соседних зон (например, точек, лежащих в середине зон или у внешних краев зон), находятся в противофазе. Поэтому колебания от соседних зон будут взаимно ослаблять друг друга и амплитуда результирующего светового колебания в точке P
, (2)
где
,
,
… – амплитуды колебаний, возбуждаемых
1-й, 2-й, … зонами.
Для оценки амплитуд колебаний найдем
площади зон Френеля. Пусть внешняя
граница
m
-й
зоны выделяет на волновой поверхности
сферический сегмент высоты
.
Обозначив площадь этого сегмента через
,
найдем, что, площадь
m
-й
зоны Френеля равна
.
Из рисунка видно, что.
После несложных преобразований,
учитывая
и
,
получим
.
Площадь сферического сегмента и
площадь
m
-й
зоны Френеля соответственно равны
,
. (3)
Таким образом, при не слишком
больших
m
площади зон Френеля одинаковы. Согласно
предположению Френеля, действие отдельных
зон в точке
P
тем меньше, чем больше угол
между нормалью
n
к поверхности зоны и направлением на
P
, т.е. действие
зон постепенно убывает от центральной
к периферийным. Кроме того, интенсивность
излучения в направлении точки
P
уменьшается с ростом
m
и вследствие увеличения расстояния от
зоны до точки
P
.
Таким образом, амплитуды колебаний
образуют монотонно убывающую
последовательность
Общее число зон Френеля, умещающихся
на полусфере, очень велико; например,
при
и
число зон достигает ~10
6
.
Это означает, что амплитуда убывает
очень медленно и поэтому можно приближенно
считать
. (4)
Тогда выражение (2) после перегруппировки
суммируется
, (5) так как выражения в скобках, согласно (4), равны нулю, а вклад последнего слагаемого ничтожно мал. Таким образом, амплитуда результирующих колебаний в произвольной точке P определяется как бы половинным действием центральной зоны Френеля.
При не слишком больших
m
высота сегмента
,
поэтому можно считать, что
.
Подставив значение для
,
получим для радиуса внешней границы
m
-й зоны
. (6)
При
и
радиус первой (центральной) зоны
.
Следовательно, распространение света
от
S
к
P
происходит так, как если бы световой
поток шел внутри очень узкого канала
вдоль
SP
, т.е.
прямолинейно.
Правомерность деления волнового фронта на зоны Френеля подтверждена экспериментально. Для этого используются зонная пластинка – в простейшем случае стеклянная пластинка, состоящая из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец, с радиусами зон Френеля заданной конфигурации. Если поместить зонную пластинку в строго определенном месте (на расстоянии a от точечного источника и на расстоянии b от точки наблюдения), то результирующая амплитуда будет больше, чем при полностью открытом волновом фронте.
Дифракция Френеля на круглом отверстии. Дифракция Френеля наблюдается на конечном расстоянии от препятствия, вызвавшего дифракцию, в данном случае экрана с отверстием. Сферическая волна, распространяющаяся от точечного источника S , встречает на своем пути экран с отверстием. Дифракционная картина наблюдается на экране, параллельном экрану с отверстием. Ее вид зависит от расстояния между отверстием и экраном (для данного диаметра отверстия). Проще определить амплитуду световых колебаний в центре картины. Для этого разобьем открытую часть волновой поверхности на зоны Френеля. Амплитуда колебания, возбуждаемая всеми зонами равна
, (7)
где знак плюс отвечает нечетным
m
и минус – четным
m
.
Когда отверстие открывает нечетное
число зон Френеля, то амплитуда
(интенсивность) в центральной точке
будет больше, чем при свободном
распространении волны; если четное то
амплитуда (интенсивность) будет равна
нулю. Например, если отверстие открывает
одну зону Френеля, амплитуда
,
то интенсивность (
)
больше в четыре раза.
Расчет амплитуды колебания на внеосевых участках экрана более сложен, так как соответствующие зоны Френеля частично перекрываются непрозрачным экраном. Качественно ясно, что дифракционная картина будет иметь вид чередующихся темных и светлых колец с общим центром (если m четное, то в центре будет темное кольцо, если m нечетное – то светлое пятно), причем интенсивность в максимумах убывает с расстоянием от центра картины. Если отверстие освещается не монохроматическим светом, а белым светом, то кольца окрашены.
Рассмотрим предельные случаи. Если
отверстие открывает лишь часть
центральной зоны Френеля, на экране
получается размытое светлое пятно;
чередования светлых и темных колец в
этом случае не возникает. Если отверстие
открывает большое число зон, то
и амплитуда в центре
,
т.е. такая же, как и при полностью открытом
волновом фронте; чередование светлых
и темных колец происходит лишь в очень
узкой области на границе геометрической
тени. Фактически дифракционная картина
не наблюдается, и распространение света,
по сути, является прямолинейным.
Дифракция Френеля на диске. Сферическая волна, распространяющаяся от точечного источника S , встречает на своем пути диск (рис.). Дифракционная картина, наблюдаемая на экране, является центрально симметричной. Определим амплитуду световых колебаний в центре. Пусть диск закрывает m первых зон Френеля. Тогда амплитуда колебаний равна
или
, (8)
так как выражения, стоящие в скобках,
равны нулю. Следовательно, в центре
всегда наблюдается дифракционный
максимум (светлое пятно), соответствующий
половине действия первой открытой зоны
Френеля. Центральный максимум окружен
концентрическими с ним темными и светлыми
кольцами. При небольшом числе закрытых
зон амплитуда
мало отличается от
.
Поэтому интенсивность в центре будет
почти такая же, как при отсутствии диска.
Изменение освещенности экрана с
расстоянием от центра картины изображено
на рис.
Рассмотрим предельные случаи. Если
диск закрывает лишь небольшую часть
центральной зоны Френеля, он совсем не
отбрасывает тени – освещенность экрана
всюду остается такой же, как при отсутствии
диска. Если диск закрывает много зон
Френеля, чередование светлых и темных
колец наблюдается только в узкой области
на границе геометрической тени. В этом
случае
,
так что светлое пятно в центре отсутствует,
и освещенность в области геометрической
тени практически всюду равна нулю.
Фактически дифракционная картина не
наблюдается, и распространение света
является прямолинейным.
Дифракция Фраунгофера на одной щели. Пусть плоская монохроматическая волна падает нормально плоскости узкой щели шириной a . Оптическая разность хода между крайними лучами, идущими от щели в некотором направлении
.
Разобьем открытую часть волновой
поверхности в плоскости щели на зоны
Френеля, имеющие вид равновеликих полос,
параллельных щели. Так как ширина каждой
зоны выбирается такой, чтобы разность
хода от краев этих зон была равна
,
то на ширине щели уместится
зон. Амплитуды вторичных волн в плоскости
щели будут равны, так как зоны Френеля
имеют одинаковые площади и одинаково
наклонены к направлению наблюдения.
Фазы колебаний от пары соседних зон
Френеля отличаются на
,
поэтому, суммарная амплитуда этих
колебаний равна нулю.
Если число зон Френеля четное, то
, (9а)
и в точке
B
наблюдается минимум освещенности
(темный участок), если же число зон
Френеля нечетное, то
(9б)
и
наблюдается близкая к максимуму
освещенность, соответствующей действию
одной нескомпенсированной зоны Френеля.
В направлении
щель действует, как одна зона Френеля,
и в этом направлении наблюдается
наибольшая освещенность, точке
соответствует центральный или главный
максимум освещенности.
Расчет освещенности в зависимости от направления дает
, (10)
где
– освещенность в середине дифракционной
картины (против центра линзы),
– освещенность в точке, положение
которой определяется направлением
.
График функции (10) изображен на рис.
Максимумы освещенности соответствуют
значениям
,
удовлетворяющие условиям
,
,
и т.д.
Вместо этих условий для максимумов
приближенно можно пользоваться
соотношением (9б), дающим близкие значения
углов. Величина вторичных максимумов
быстро убывает. Численные значения
интенсивностей главного и следующих
максимумов относятся как
и т.д.,
т.е. основная часть световой
энергии, прошедшей через щель, сосредоточена
в главном максимуме.
Сужение щели приводит к тому, что
центральный максимум расплывается, а
его освещенность уменьшается. Наоборот,
чем щель шире, тем картина ярче, но
дифракционные полосы уже, а число самих
полос больше. При
в центре получается резкое изображение
источника света, т.е. имеет место
прямолинейное распространение света.
Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке. Дифракционная решетка представляет собой систему одинаковых щелей, разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Дифракционную картину от решетки можно рассматривать как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей, т.е. в дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция.
Рассмотрим дифракционную решетку.
Если ширина каждой щели равна
a
,
а ширина непрозрачных участков между
щелями
b
, то
величина
называется
периодом дифракционной
решетки
.
Согласно формуле для многолучевой интерференции (Л3-3-5) освещенность в условиях интерференции световых лучей от N щелей равна
. (1)
Из рис. видно, что разность хода от
соседних щелей равна
.
Следовательно разность фаз
, (2)
где
–
длина волны в данной среде. Подставив
в формулу (1) выражение для
(освещенность от одной щели) и (2) для
,
получим
(3)
(
– освещенность, создаваемая одной щелью
на оси линзы).
Первый множитель обращается в нуль в точках, для которых
. (4) В этих точках освещенность, создаваемая каждой из щелей в отдельности, равна нулю. Будут наблюдаться главные минимумы освещенности.
Второй множитель в правой части (3) принимает экстремальное, а все выражение близкое к экстремальному, значение (локальный максимум) в точках, удовлетворяющих условию
. (5) Для направлений, определяемых этим условием, колебания от отдельных щелей взаимно усиливают друг друга. Условие (5) с достаточной точностью определяет положения главных максимумов . Число m дает порядок главного максимума.
Кроме главных минимумов в промежутке
между соседними главными максимумами
имеется
дополнительный минимум. Эти минимумы
соответствуют направлениям, при которых
второй множитель обращается в нуль. В
данных направлениях колебания от
отдельных щелей взаимно погашают друг
друга. В соответствии с (3) направления
дополнительных минимумов определяются
условием
. (6)
В формуле (6)
m
принимает все целочисленные значения
кроме
,
т.е. кроме тех, при которых условие (6)
переходит в (5).
Между дополнительными минимумами
располагаются
слабых вторичных максимумов. Интенсивность
вторичных максимумов не превышает
интенсивности ближайшего главного
максимума (см. Л3-3). На рис. качественно
представлена дифракционная картина от
четырех щелей.
Так как
,
то из (4) следует, что наибольший порядок
главного максимума
,
т.е. определяется отношением периода
решетки к длине волны. Положение главных
максимумов зависит от длины волны
.
Поэтому при пропускании через решетку
белого света все максимумы, кроме
центрального (
),
разложатся в спектр, фиолетовая область
которого будет обращена к центру
дифракционной картины, красная – наружу.
Это свойство дифракционной решетки
используется для исследования
спектрального состава света (определения
длин волн и интенсивностей всех
монохроматических компонентов), т.е.
дифракционная решетка может быть
использована как спектральный прибор.
Основными характеристиками всякого спектрального прибора является его дисперсия и разрешающая сила . Дисперсия определяет угловое или линейной расстояние между двумя спектральными линиями, отличающимися по длине волны на единицу (например, на 1 Å). Разрешающая сила определяет минимальную разность длин волн , при которой две линии воспринимаются в спектре раздельно.
Угловой дисперсией называется величина
,
где
–
угловое расстояние между спектральными
линиями, отличающимися по длине волны
на
. С
помощью (4), опуская знаки, получим
.
Отсюда, в пределах небольших углов
(
),
. (7)
Разрешающей силой спектрального прибора называют безразмерную величину
,
где
–
минимальная разность длин волн двух
спектральных линий, при которой эти
линии воспринимаются раздельно.
Согласно критерию Рэлея , изображения двух близлежащих одинаковых точечных источников или двух близлежащих спектральных линий с равными интенсивностями разрешимы (разделены для восприятия), если центральный максимум от одного источника (линии) совпадает с первым минимумом дифракционной картины от другого (рис.). При выполнении критерия Рэлея интенсивность “провала” между максимумами составляет 80 % интенсивности в максимуме, что является достаточным для разрешения источников (линий).
Положение
m
-го
максимума для длины волны
и минимума, следующего за
m
-м
максимумом для длины волны
,
определяется соответственно условиями
Согласно критерию Рэлея две эти линии разрешаются спектральным прибором, если правые части этих соотношений равны между собой или
.
Отсюда, для разрешающей силы получим
выражение
. (8)
Современные дифракционные решетки
обладают довольно высокой разрешающей
способностью (до
).
Разрешающая сила объектива. Используя даже идеальную оптическую систему невозможно получить стигматическое изображение точечного источника, что объясняется волновой природой света. Если на объектив падает свет от удаленного точечного источника, то вследствие дифракции световых волн, в фокальной плоскости объектива вместо точки наблюдается дифракционная картина. В результате точечный источник отображается в виде светлого пятна, окруженного чередующимися темными и светлыми кольцами. Соответствующий расчет (дифракции Фраунгофера на круглом отверстии) дает, что первый минимум отстоит от центра дифракционной картины на угловое расстояние
,
где
D
–
диаметр объектива (или диафрагмы).
Полезно сравнить этот результат с
подобным результатом для дифракции на
щели. В последнем случае
,
где
a
– ширина
щели. Если
,
можно положить
.
Если на объектив падает свет от двух
удаленных точечных источников
и
с некоторым угловым расстоянием
,
то имеет место наложение их дифракционных
картин (рис.). Согласно критерию Рэлея,
который в данном случае гласит что, две
близкие точки будут еще разрешены, если
середина центрального максимума для
одной точки совпадает с первым минимумом
для второй точки. Таким образом, наименьшее
угловое расстояние между двумя точками,
при котором они еще разрешаются объективом
. (9)
Величина, обратная
,
называется
разрешающей силой
объектива
. (10)
Диаметр зрачка глаза при нормальном
освещении равен примерно 2 мм. Подставив
это значение в формулу (9) и взяв
,
получим
.
Примечательно, что расстояние между
соседними светочувствительными
элементами сетчатки глаза соответствует
этому угловому расстоянию.
Дифракция рентгеновских лучей.
Дифракция наблюдается не только на
одномерной дифракционной решетке, но
также трехмерных периодичных структурах.
Подобными структурами являются все
кристаллические тела. Однако их период
(
)
слишком мал для того, чтобы можно было
наблюдать дифракцию в видимом свете. В
случае кристаллов соотношение
выполняется только для рентгеновских
лучей.
В случае света лучи сводятся при помощи линзы. Для рентгеновских лучей осуществить линзу невозможно, так как показатель преломления этих лучей во всех веществах практически равен единице. Поэтому интерференция вторичных волн достигается путем использования весьма узких пучков лучей, которые и без линзы дают на экране (или фотопластинке) пятна очень малых размеров.
Рассматриваем кристалл как совокупность
параллельных кристаллографических
плоскостей (плоскостей, в которых лежат
узлы кристаллической решетки), отстоящих
друг от друга на расстояние
d
.
Полагаем, что при падении рентгеновского
излучения на кристалл происходит
частичное отражение излучения от этих
плоскостей. Вторичные волны, отразившиеся
от разных плоскостей, когерентны и будут
интерферировать между собой. Из рис.
видно, что разность хода двух волн,
отразившихся от соседних плоскостей,
равна
,
где
– угол,
называемый
углом скольжения
падающих лучей. Максимумы интенсивности
(дифракционные максимумы) наблюдаются
в тех направлениях, в которых все
отраженные атомными плоскостями волны
будут находиться в одинаковой фазе. Эти
направления определяются условием
. (11) Это соотношение называется Вульфа-Брегга .
Кристаллографические плоскости можно провести в кристалле множеством способов (рис.). Каждая система плоскостей может дать дифракционный максимум, если для нее окажется выполненным условие (11). Однако заметную интенсивность имеет лишь те максимумы, которые дают плоскости с густо расположенными узлами.
Дифракция рентгеновских лучей от кристаллов находит два основных применения. Она используется для исследования спектрального состава рентгеновского излучения (рентгеновская спектроскопия ) и для изучения структуры кристаллов (рентгеноструктурный анализ ). Определяя направления максимумов, получающихся при дифракции исследуемого рентгеновского излучения от кристаллов с известной структурой, можно вычислить длины волн. Наблюдая дифракцию рентгеновских лучей известной длины волны на кристалле неизвестного строения можно найти межплоскостные расстояния и расшифровать структуру кристалла.
Голография. Голография есть особый способ записи и последующего восстановления изображения предмета, основанный на регистрации интерференционной картины. При освещении фотопластинки (голограммы) пучком света изображение предмета восстанавливается в почти первоначальном виде, так что создается ощущение его реальности.
Для записи предмета на светочувствительной пластинке кроме волны, отраженной от предмета (так называемой предметной волны), используется когерентная с ней волна от источника света (так называемая опорная волна). На фотопластинке фиксируется распределение интенсивности в интерференционной картине, возникающей при наложении предметной и опорной волн. При освещении проявленной фотопластинки происходит дифракция света в фотослое. В результате дифракции восстанавливается изображения предмета.
Практически идея голографии осуществляется с помощью схемы, изображенной на рис. Лазерный пучок делится на две части, причем одна его часть отражается зеркалом на фотопластинку (опорная волна), а вторая попадает на фотопластинку, отразившись от предмета (предметная волна). Опорная и предметная волны, являясь когерентными, при наложении интерферируют. Интерференционная картина фиксируется на фотопластинке, после ее проявления получается голограмма – изображение интерференции.
Для восстановления изображения голограмма помещается в то же самое положение, где она находилась до регистрации. Ее освещают опорным пучком того же лазера (вторая часть лазерного пучка перекрывается диафрагмой). В результате дифракции опорной волны возникает несколько волн. Одна волна дает мнимое изображение, которое точно воспроизводит предмет. Другая волна образует действительное изображение предмета. Действительное изображение псевдоскопично – оно имеет рельеф, обратный рельефу предмета (выпуклые места заменены вогнутыми и наоборот). Третья волна является продолжением падающей с меньшей интенсивностью.
Рассмотрим принцип голографии на
простом примере. Пусть на фотопластинку
падают две когерентные волны, идущих
под углом
друг к другу. Волна
1
является
опорной, волна
2
– предметной
(предмет в данном случае представляет
бесконечно удаленную точку). Для простоты,
предположим, что волна
1
падает на пластинку нормально.
Вследствие интерференции волн на
пластинке образуется (и фиксируется)
система прямолинейных полос – максимумов
и минимумов интенсивности. Пусть точки
a
и
b
соответствуют серединам соседних
максимумов. Тогда разность хода
соответствующих лучей предметной волны
до этих точек равна
.
Из рис. видно, что разность хода
и, следовательно,
. (12)
Направим свет опорной волны на проявленную фотопластинку. Пластинка является дифракционной решеткой, период которой определяется формулой (12). Особенность этой решетки состоит в том, что ее прозрачность изменяется плавно (у обычных решеток она изменялась скачком). Эта особенность приводит к тому, что интенсивность дифракционных максимумов выше 1-го практически равна нулю и результирующая дифракционная картина определяется условием
. (13) Максимум m 0 лежит на продолжении опорного пучка. Максимум m +1 имеет такое же направление, какое имела предметная волна. Кроме того, возникает максимум m 1.
Сходная ситуация возникает и при освещении голограммы, полученной от реального предмета. При этом будет восстановлена световая волна, отраженная предметом (ей отвечает m +1). Кроме нее, возникают еще две волны (отвечающие m 0 и m 1). Последние распространяются в других направлениях и не мешают восприятию мнимого изображения предмета (которое и представляет главный интерес).
Рассмотренный способ дает одноцветные изображения (цвета лазера). Цветное зрение связано с тремя типами светочувствительных элементов сетчатки глаза, реагирующих на красное, зеленое и синее. Зрительное восприятие, поэтому, складывается из трех одноцветных изображений, соответственно красного, зеленого и синего. Это свойство зрения используется в цветной голографии.
Цветная голография основана на записи объемной интерференционной картины. Восстановление изображения происходит при отражении света от голограммы. Схема записи и восстановления цветного изображения приведена на рис. При записи предмет (последовательно или одновременно) освещается излучением трех цветов: красным, зеленым и синим. В толще фотоэмульсии образуется (и фиксируются) три пространственные интерференционные картины. При освещении белым цветом каждая из систем формирует свое одноцветное изображение предмета. В результате, при наложении трех одноцветных, получаются цветное изображение предмета.
Дифракция и дисперсия - такие красивые и похожие слова, которые звучат как музыка для ушей физика! Как все уже догадались, сегодня мы говорим уже не о геометрической оптике, а о явлениях, обусловленных именно волновой природой света .
Итак, в чем заключается явление дисперсии света? В мы рассмотрели закон преломления света. Тогда мы не задумывались, а точнее - не вспоминали о том, что свет (электромагнитная волна) имеет определенную длину. Давайте вспомним:
Свет – электромагнитная волна. Видимый свет – это волны, имеющие длину в интервале от 380 до 770 нанометров.
Так вот, еще старина Ньютон заметил, что показатель преломления зависит от длины волны. Другими словами, красный свет, падая на поверхность и преломляясь, отклонится на другой угол, нежели желтый, зеленый и так далее. Эта зависимость и называется дисперсией .
Пропуская белый свет через призму, можно получить спектр, состоящий из всех цветов радуги. Это явление напрямую объясняется дисперсией света. Раз показатель преломления зависит от длины волны, значит, он зависит и от частоты. Соответственно, скорость света для разных длин волн в веществе также будет различна
Дисперсия света – зависимость скорости света в веществе от частоты.
Где применяется дисперсия света? Да повсюду! Это не только красивое слово, но и красивое явление. Дисперсия света в быту, природе, технике и искусстве. Вот, например, дисперсия красуется на обложке альбома группы Pink Floyd.
Перед дифракцией нужно сказать про ее "подругу" - интерференцию . Ведь интерференция и дифракция света - это явления, которые наблюдаются одновременно.
Интерференция света – это когда две когерентные световые волны при наложении усиливают друг друга или наоборот ослабляют.
Волны является когерентными , если разность их фаз постоянна во времени, а при сложении получается волна той же частоты. Будет результирующая волна усилена (интерференционный максимум) или наоборот ослаблена (интерференционный минимум) - зависит от разности фаз колебаний. Максимумы и минимумы при интерференции чередуются, образуя интерференционную картину.
Дифракция света – еще одно проявления волновых свойств. Казалось бы, луч света всегда должен распространяться по прямой. Но нет! Встречая препятствие, свет отклоняется от первоначального направления как бы огибая преграду. Какие условия необходимы для наблюдения дифракции света? Собственно, это явление наблюдается на предметах любых размеров, но на больших предметах его наблюдать трудно и почти невозможно. Лучше всего это удается сделать на препятствиях, сопоставимых по размерам с длиной волны. В случае со светом - это очень маленькие препятствия.
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления при прохождении вблизи преграды.
Дифракция проявляется не только для света, но и для других волн. Например, для звуковых. Или для волн на море. Отличный пример дифракции – это то, как мы слышим песню группы Пинк Флойд из проезжающей мимо машины, когда сами стоим за углом. Если бы звуковая волна распространялась прямо, она бы просто не достигла наших ушей, и мы бы стояли в полной тишине. Согласитесь, скучно. Зато с дифракцией гораздо веселее.
Для наблюдения явления дифракции используется специальный прибор – дифракционная решетка . Дифракционная решетка представляет собой систему препятствий, которые по размеру сопоставимы с длиной волны. Это специальные параллельные штрихи, выгравированные на поверхности металлической или стеклянной пластины. Расстояние между краями соседних щелей решетки называется периодом решетки или ее постоянной.
Что происходит со светом при прохождении дифракционной решетки? Попадая на решетку и встречая препятствие, световая волна проходит через систему прозрачных и непрозрачных областей, в результате чего разбивается на отдельные пучки когерентного света, которые после дифракции интерферируют друг с другом. Каждая длина волны отклоняется при этом на определенный угол, и происходит разложение света в спектр. В результате мы наблюдаем дифракцию света на решетке
Формула дифракционной решетки:
Здесь d – период решетки, фи – угол отклонения света после прохождения решетки, k – порядок дифракционного максимума, лямбда – длина волны.
Сегодня мы узнали, в чем чем заключается явления дифракции и дисперсии света. В курсе оптики очень сильно распространены задачи по теме интерференция, дисперсия и дифракция света. Авторы учебников очень любят подобные задачи. Чего нельзя сказать о тех, кому приходится их решать. Если Вы хотите легко справиться с заданиями, разобраться в теме, а заодно и сэкономить время, обратитесь к . Они помогут Вам справиться с любой задачей!
