Основное понятия, явление дифракции

Поместим на пути параллельного пучка света плоскую преграду и будем наблюдать дальнейший ход распространения световых лучей. Если бы свет представлял собой пучок параллельных прямых, то тень от объекта, поставленного на пути её распространения, должна иметь на экране совершенно четкие контуры. Это было предсказано геометрической оптикой и подтверждено визуальными наблюдениями. Более тщательное изучение показывает, что в действительности край тени не является резким, а состоит из последовательно чередующихся светлых и темных полос.

То же самое явление наблюдается при прохождении света через круглое отверстие или щель. Контур получаемой на экране тени ока­зывается окаймлённым светлыми и тёмными полосами, тем более заметными, чем меньше размеры отверстий. Это явление огибания края препятствия волной называется дифракцией и проявляется, когда на пути распространения фронт волны тем или иным способом ограничивается. В общем случае дифракция — это совокупность явлений, в которых наблюдаются отклонения от законов геометрической оптики.

Явление дифракции, которое не могла объяснить геометрическая оптика, находится в тесной связи с явлением интерференции и может быть объяснено на основании принципа Гюйгенса.

Согласно принципу Гюйгенса каждую точку волновой поверхности следует рассматривать как источник элементарных вторичных волн, огибающая их поверхность служит новой волновой поверхностью (рис. 5.1).

Если рассматриваются сферические вторичные волны, то дифракция называется дифракцией Френеля, а если рассматриваются плоские вторичные волны, то дифракция носит название дифракции Фраунгофера.

Объясним явление дифракции на краю плоскости R, на основании принципа Гюйгенса.

Волновая поверхность является источником вторичных сферичес­ких волн (рис. 5.2). Каждая точка поверхности испускает световые волны в различных направлениях. Выберем те лучи, которые собираются в точке экрана. Эти лучи когерентны, т.е. имеют одина­ковую частоту и постоянную разность фаз, и, следовательно, могут интерферировать.

Если лучи приходят в точку в фазе, то происходит усиление света, и мы наблюдаем светлую полосу. В некоторую точку лучи приходят в противофазе, и происходит взаимное ослабление света. Тогда в точке наблюдается тёмная полоса и т.д.

Аналогично можно объяснить явление дифракции на щели, на круглом отверстии и на других преградах.

Рассмотрим, например, явление дифракции на дифракционной решётке. Решётка состоит из большого числа параллельных и равностоящих друг от друга щелей (рис.5.3а). Ширина щели по величине должна быть одного порядка с длиной волны света, ширина непрозрачного участка также невелика. Для соблюдения этих условий линейная плотность штрихов на решётке должна составлять сотни штук на миллиметр.

Суммарная ширина прозрачного и непрозрачного участков решётки называется ее периодом (рис.5.3б).

Пусть решётка R освещается параллельным и нормальным к решётке пучком световых волн длинной . Каждая из щелей является источником вторичных волн, излучающих свет по различным направлениям. Произвольно выберем одно из них, направленное под углом к нормали решётки (рис.5.3а).

Лучи собираются в точке P, экрана E, расположенного в фокальной плоскости линзы L. Разность хода двух любых соседних лучей равна:

(5.1)

Если разность хода равна целому числу длин волн (где m =0, , то лучи, распространяющиеся в направлении удовлетворяющему условию придут в точку Р в фазе. Таким образом, мы имеем максимум дифракции (светлые полосы) для направлений, удовлетворяющих условию:

(5.2)

где m — порядок спектра,

φ — угол дифракции.

В направлениях, не удовлетворяющих соотношению (5.2), наблюдаются темные полосы. В результате дифракционная картина представляет собой чередование темных и светлых полос.

При всегда наблюдается дифракционный максимум, называемый главным максимумом ().

На некотором расстоянии от главного максимума расположены максимумы первого порядка (m = ), второго порядка (m = ) и т.д. (рис. 5.4).

Интенсивность светлых полос уменьшается с увеличением порядка. Количество наблюдаемых на экране дифракционных максимумов определяется периодом решетки.