Дифракция и условие дифракции

Все виды волн объединяет совокупность явлений, сопровождаемых их распространение по средам с резкими неоднородностями. Механические, электромагнитные волны в момент встречи с препятствиями огибают их, изменяют свой первоначальный прямолинейный ход. Когда величина препятствий соизмерима с длиной волны, явление дифракции проявляется наиболее четко. Это может быть дифракция волн звукового диапазона, сейсмических, радиоволн. Их длина волны составляет от нескольких метров до километров.

Благодаря дифракции волновых колебаний мы слышим голос человека, находящегося за углом дома. Волны, бегущие по поверхности воды, (когда их размеры больше чем, например, вход в бухту) не проникнут в неё во время бури. Особые сложности наблюдаются при изучении дифракции электромагнитных волн или света видимого диапазона с малыми длинами волн. Математическое представление задач дифракции световых волн имеет сложные решения и чаще всего используется в упрощенных случаях. За основу математического определения термина дифракция света взяты принцип Гюйгенса и обобщенная формулировка Френеля.

Что такое дифракция

Рассматривая различные виды дифракции, и изучая, что такое дифракция волн, можно отметить, что классический вид явления проще объясняется так: дифракция волн это прохождение сферической световой волны через отверстие маленького размера, когда на экране вместо четкого круга появляется его размытый контур с чередующимися светлыми и темными кольцами. Вместе с изменениями размера отверстия меняется картинка на экране. Темное пятно в центре круга периодически исчезает и появляется снова. Френель объяснил это явление, разбив волновой фронт на зоны.

При этом расстояние от точки наблюдение до соседних зон отличаются на половину длины волны. Вторичные волны, пришедшие от соседних зон, гасятся друг другом. Если в отверстии размещается четное количество зон, то центр будет темным. Если нечетное число зон, то цвет центра будет светлым. Показана дифракция света на примерах с разными препятствиями и разными источниками излучения.

Теоретические выкладки Френеля понятны из рисунка, когда свет из источника S приходят в точку B. Небольшой сферический сегмент ab принимает лучи от сферической поверхности с радиусом R и посылает их в нужное место. В результате интерференции другие лучи поверхности гасятся. Получается, что свет как бы распространяется прямолинейно.

История изучения

Основные положения теоретических разделов оптики дифракция, интерференция закладывались в XIX столетии. Среди известных ученых следующие фамилии:

• Первым открывателем, объясняющим, что такое дифракция считается итальянский ученый Франческо Гримальди. Его опыты, проводимые в середине XVII столетия, показывали, что свет даже в однородной среде не всегда распространяется прямолинейно. Вблизи краев препятствий лучи загибаются, отклоняются от первоначального прямолинейного хода.
• Юнг дал новое объяснение, что такое дифракция света, основанное на волновой теории. Опыт с двумя маленькими отверстиями, определение ширины интерференционных полос и длин волн видимого диапазона вошел в число знаменитых опытов в истории физики.

  

  Пройдя через два небольших отверстия, совместное действие лучей образовывало на экране чередующиеся темные и светлые полосы. Когда Юнг закрывал одно из отверстий, полосы исчезали.

• Гюйгенс предложил оригинальный принцип, легший в основу определения термина дифракция волн. Основное предположение заключается в том, что каждая точка волнового процесса рождает вторичные сферические волны. В представлениях Гюйгенса это не реальные волны, а математические сферы. Их суммарный результат проявляется на огибающей поверхности, новой волновой поверхности, построенной исключительно по законам геометрической оптики. Положения принципа не объясняли отсутствие обратной волны, что дифракция это в физике интерференция вторичных волн;
• Френель, спустя 137 лет после открытия принципа Гюйгенса модифицировал его, наполнив научное понятие физическим смыслом, названным дифракция Френеля. Он представил геометрические сферы в виде реальных сферических волн, обладающих когерентностью и вступающих в интерференцию друг с другом. В любое время волновая поверхность – это не просто огибающая вторичных волн, но результат их интерференции. Учёный предложил способ математического решения задач дифракции, ввел термин число зон Френеля. Физический смысл безразмерной величины число Френеля для резонаторных систем с двумя зеркалами определяют как число зон Френеля, видимых на поверхности одного из зеркал из центра другого. Дифракционные потери системы меньше при увеличении числа зон Френеля. Знаменитый исследователь смог дать объяснение первого закона в геометрической оптике: прямолинейного распространения излучения.

Обобщив знания ученых, дифракция света благодаря принципу Гюйгенса — Френеля открыла свои тайны и позволила ввести четкое определение.

Дифракцией света называется общность явлений, рождающихся во время распространения волн при встрече с неоднородностями, отклонениями от законов геометрической оптики.

Иначе огибание волной малых препятствий называется дифракцией. Исторически задачи дифракции изучались для двух крайних случаев: поведение сферической волны при встрече с ограниченным препятствием в виде небольшого отверстия (дифракция Френеля) и в случае плоской волны на щели, системе отверстий – дифракция Фраунгофера.

Дифракционная решетка

Дифракция света это физическое явление, используемое человечеством для создания важных спектральных приборов. Дифракция света дала возможность рождению востребованного прибора с основным рабочим элементом – дифракционная решетка. Она используется для разложения света в спектр и дает возможность просто и надежно измерять длину волны любого излучения.

Для разных спектральных диапазонов (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного) существуют свои конкретные решетки. Они отличаются числом штрихов на 1 мм (3600-1200 для УФ диапазона, 1200-600 для видимого участка спектра, 300 и меньше в ИК области). Дифракционная решетка это совокупность щелей, повторяющихся через промежуток d. Суммарная величина щели и промежутка называется периодом решетки.

Что такое дифракционная решетка, как она работает показано на рис.4. По принципам изготовления дифракционные решетки бывают отражательные и прозрачные. В первом случае штрихи наносятся на металлическую поверхность, во втором на стеклянную подложку. Непрозрачные штрихи и чистые места формируют условия для появления дифракции.

При этом, например, если выполнено 100 штрихов на мм, период решетки составит d=0,01 мм=10 мкм. Падающая волна разлагается на многочисленные когерентные пучки, интерферирующие друг с другом и создающие на экране систему чередующихся светлых и темных зон, которые подчиняются строгим математическим законам. Знакомым примером дифракционной решетки отражательного типа является компакт-диск.

Условия дифракции

Условия дифракции света формируют конкретное положение максимумов света. Оно не зависит от количества щелей, а определяется длиной волны. Значение угла, соответствующего положению максимума, будет меньше с уменьшением длины волны. Излучение видимого диапазона вытягивается в спектр с внутренним фиолетовым краем и внешним красным. Для всех длин волн одновременно соответствует максимум с направлением угла 0. Нулевой спектр выглядит в виде белого изображения щели.

Дифракционный максимум наблюдается при условии d sin φ =k λ, где k целое число, определяющее дифракционный максимум.

В отличие от призменного элемента спектральных приборов красные лучи после прохождения через решетку отклоняются сильнее синих. В призмах, наоборот: в результате дисперсии красные лучи с большей скоростью и меньшим значением коэффициента преломления отклоняются от первоначального хода меньше.

С помощью дифракционной решетки можно просто измерять длины волн. На практике процесс представляет собой измерение угла направления на максимум. Для этого используют прибор гониометр, позволяющий точно измерять углы.

Дифракция это не только оптическое явление с полезными свойствами. При разработке оптических систем необходимо учитывать существующий дифракционный предел, когда ещё возможно создание качественного изображения. Его преодоление считается отдельной задачей разных направлений физики. Дифракция в фотографии, в микроскопии, при изготовлении сложных телескопов формирует один из важнейших параметров системы – разрешающую способность.