Работа № 12 изучение дифракции френеля

Цель работы:	изучение дифракции Френеля на нити и узкой щели
Приборы и принадлежности:	а) оптическая скамья, б) газовый лазер, в) щели с регулируемой шириной, рамка с вертикальной нитью

Дифракция френеля

Рассмотрим схему, изображенную на рисунке 1. Световые лучи испытывают дифракцию на щели S. Дифракционная картина проецируется на экран Э с помощью микроскопа М, сфоку­сированного на некоторую плоскость наблюдения П. Щель S освещается параллельным пучком монохроматического света лазера ЛГ.

Интенсивность света в плоскости наблюдения П проще всего рассчитывать с помощью метода зон Френеля (более подробно см. введение к разделу). В плоскости щели S зоны Френеля представляют собой полоски, параллельные краям щели (рис.2). Световые колебания от двух соседних зон находятся в противофазе. Результи­рующая амплитуда в точке наблюдения определяется суперпозицией колебаний от тех зон Френеля, которые не перекрыты створ­ками щели. Графическое определение результирующей амплитуды, производится с помощью век­торной диаграммы зон Френеля - спирали Корню. Суммарная ширина m зон Френеля z_m  определяется соотношением

z_m = (1),

где а - расстояние между препятствием и плоскостью наблюдения, а  - длина волны.

Если ширина d щели S велика по сравнению с размером первой зоны Френеля, т.е. выполнено условие d , то распределение интенсивности света за щелью можно приближенно получить с помощью геометрической оптики. Дифракционная картина в этом случае наблюдается только в узкой области на границах света и тени у краев экрана. При небольших изменениях ширины щели S эти две группы дифракционных полос перемещаются практически независимо друг от друга. Каждую из этих групп называют дифракцией Френеля от края экрана. Распределение интенсивности в группах легко может быть найдено с помощью спирали Корню. При уменьшении ширины щели S обе системы дифракционных полос постепенно сближаются и, наконец, накладываются друг на друга. Распределение интенсивности в плоскости наблюдения в этом случае определяется числом зон Френеля, укладывающихся на полуширине щели. Если это число целое и равно m, то в поле зрения наблюдается m—1 темных полос. Таким образом, по виду дифракционной картины можно оценить число зон Френеля, укладывающихся на полуширине щели S.

Измерения.

Исследуйте дифракцию Френеля на щели. Соберите на оптической скамье установку в соответствии с Рис. 1. Сфокусируйте на щель S луч лазера. Сфокусируйте микроскоп на щель S. Отодвиньте немного микроскоп от щели. Определите расстояние a по шкале салазок микроскопа. Меняя ширину щели S, на­блюдайте дифракцию у краев широкой щели и постепенное наложение дифракционных кар­тин при ее сужении.

Расширив щель S, исследуйте дифракцию Френеля на краю экрана. Зарисуйте распределение интенсивности света на границе света и тени. Объясните полученную картину с помощью спирали Корню.

Установите такую ширину щели d, при которой видны 4, 6, 10 дифракционных полос. В каждом из этих случаев определите ширину щели при помощи микрометрического винта щели. Зная длину волны  , вычислите по формуле (1) число зон Френеля, укладывающихся на ширине щели, и сравните это число с числом наблюдаемых темных полос.

Исследуйте дифракцию Френеля на тонкой нити. Для этого вместо щели S установите рамку с тонкой вертикальной нитью. Убедитесь в том, что при фокусировке микроскопа на нить дифракционные полосы не наблюдаются. При удалении микроскопа от нити появля­ются дифракционные полосы. Пока нить перекрывает большое число зон Френеля, наблюдаемое в микроскоп дифракционное изображение нити до некоторой степени похоже на оригинал. При дальнейшем удалении микроскопа от нити сходство полностью исчезает. Объясните наблюденные явления с помощью спирали Корню.