Дифракция света. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного распространения, когда свет, огибая препятствие, заходит в область геометрической тени.

Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции волн. По историческим причинам перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным числом дискретных когерентных источников, принято называть интерференцией. Перераспределение интенсивности, возникающее вследствие суперпозиции волн, возбуждаемых когерентными источниками, расположенными непрерывно, принято называть дифракцией.

Наблюдение дифракции можно осуществить, если на пути световой волны поместить непрозрачную преграду с отверстием, размеры которого соизмеримы с l ( ~ ) (рис. 6а). На экране, расположенном за преградой, будет наблюдаться световое пятно с рядом темных и светлых колец, значительно превышающее размеры геометрической тени (г.т.) отверстия на экране. Если , выполняются законы геометрической оптики (рис. 6б).

Различают два вида дифракции:

1) дифракция Фраунгофера (дифракция в параллельных лучах) – если источник света и точка наблюдения расположены от препятствия настолько далеко, что лучи, падающие на препятствие и идущие в точку наблюдения, образуют практически параллельный пучок;

2) дифракция Френеля – если данное условие не выполняется.

Проникновение световых волн в область геометрической тени может быть объяснено с помощью принципа Гюйгенса. Принцип Гюйгенса позволяет решать задачи о распространении волнового фронта (рис. 7), но не отвечает на вопрос об интенсивности волн, идущих по различным направлениям. Френель дополнил принцип Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн. Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет найти амплитуду результирующей волны в любой точке пространства.

Развитый таким образом принцип получил название принципа Гюйгенса-Френеля:

каждая точка фронта волны является источником когерентных вторичных сферических волн, интерференция которых определяет результирующую волну в следующий момент времени. Амплитуда вторичной сферической волны пропорциональна величине площади волновой поверхности, излучающей эту волну. Максимум излучения вторичных волн происходит в направлении нормали к волновой поверхности.

В общем случае нахождение амплитуды результирующего колебания представляет собой сложную задачу.

Дифракционной решеткой называется совокупность большого числа одинаковых, отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние щелей. Общая ширина щели и непрозрачного промежутка называется постоянной (или периодом) решетки d (рис. 8).

d=а+в.

Прозрачные дифракционные решетки обычно изготавливаются из стеклянных или кварцевых пластин, на поверхность которых наносится алмазным резцом ряд параллельных штрихов. Первые дифракционные решетки были изготовлены Фраунгофером в 1821г. и содержали 14 штрихов на 1мм.

Если на решетку нормально к её поверхности падает плоская монохроматическая волна с длиной l, то в центральную точку экрана линзой Л соберутся лучи, для которых угол дифракции j₀=0, амплитуды их волн сложатся арифметически, и интенсивность центрального максимума будет наибольшей.

Лучи, идущие под углом j к первоначальному направлению от соответствующих мест каждой из двух соседних щелей, обладают разностью хода dsinj (рис. 8). Волны усиливают друг друга, если эта разность хода равна целому числу длин волн.

Условие главных максимумов:

dsinj=тl,

т=0,1,2,… – порядок максимума.

При т=0 имеем центральный максимум в точке 0, при т=1 – имеем два максимума 1-го порядка, симметрично расположенные относительно центрального, и т.д.

Очевидно, что в тех направлениях, в которых ни одна из щелей не распространяет свет, он не будет распространяться и при N щелях.

Кроме того, вследствие взаимной интерференции световых лучей, посылаемых щелями, в некоторых направлениях они будут гасить друг друга, т.е. возникнут дополнительные минимумы.

В случае N щелей между соседними главными максимумами располагается N-1 дополнительных минимумов (рис. 9), разделенных вторичными максимумами, создающими весьма слабый фон. Чем больше щелей N, тем большее количество световой энергии пройдет через решетку, тем больше минимумов образуется между соседними главными максимумами, тем более интенсивными и более острыми будут максимумы.

При пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального (т=0), разложатся в спектр, фиолетовая область которого будет обращена к центру дифракционной картины. Это позволяет использовать дифракционную решетку как спектральный прибор для исследования спектрального состава света (определения длин волн и интенсивностей всех монохроматических компонентов).