2. Дифракция

Экспериментально установленный закон прямолинейности распространения света не вызывал сомнения. Но если распространение света – это волновой процесс, то может наблюдаться дифракция – огибание препятствий, размеры которых сравнимы с длиной волны (само это явление давно известно, изучено в волновой механике и не имеет пока отношения к оптике). Можно показать, что отклонение лучей от прямолинейности – дифракция – становится заметным при выполнении условия:

,

где размер препятствия;

расстояние от препятствия до точки наблюдения.

Обратите внимание, что дифракция может наблюдаться и на больших препятствиях – только на значительном расстоянии от них.

Образуем волну на поверхности воды (рис. 5.24) и направим ее на достаточно большое препятствие. В соответствии с принципом Гюйгенса за препятствием будет «тень» волнового процесса, т.е. свободная от волн поверхность воды. Если поставить на пути волн препятствие, размеры которого сравнимы с длиной волны, то практически во всех точках за препятствием вода будет «волноваться», колебания распространяются в область «тени», огибают преграду – наблюдается дифракция волн. Аналогично проходят волны через отверстия соответствующих размеров.

Дифракция света на щели

Пусть на непрозрачный экран Е, в котором прорезана узкая щель ВС, имеющая постоянную ширину и длину , падает перпендикулярно к экрану пучок параллельных лучей монохроматического света (рис. 5.25). На экране Э, удаленном от щели на расстояние , будет наблюдаться явление дифракции. Если бы этого явления не было, то на экране Э, установленном в фокальной плоскости собирающей линзы МЛ, в точке главного фокуса линзы получилось бы изображение источника света. При дифракции на узкой щели на экране наблюдается интерференционная картина: последовательность размытых изображений источника света, разделенных темными промежутками. В точке на экране собираются все параллельные лучи, падающие под углом (угол дифракции) к оптической оси линзы, перпендикулярной к фронту волны.

Усиление света (дифракционный максимум) при дифракции на узкой щели наблюдается под углами , удовлетворяющими условию

.

Условие ослабления света (дифракционные минимумы):

.

Число т называется порядком дифракционного минимума или максимума. Величина представляет собой оптическую разность хода между крайними лучами и , идущими от щели под углом (рис. 5.25). В направлении наблюдается самый интенсивный центральный максимум нулевого порядка. В точке всегда наблюдается усиление света, не зависимо от длины волны .

При наблюдении дифракции на щели в белом свете интерференционная картина на экране оказывается окрашенной. В дифракционном максимуме каждого порядка ближе к центральному, неокрашенному максимуму оказываются дифракционные максимумы с меньшими длинами волн.

Дифракционная решетка

Дифракционной решеткой в оптике называется совокупность большого числа препятствий и отверстий, сосредоточенных в ограниченном пространстве, на которых происходит дифракция света.

Простейшей дифракционной решеткой является система из N одинаковых параллельных щелей в плоском непрозрачном экране ширины b каждая, расположенных на непрозрачных промежутках а друг от друга (рис. 5.26). Величина называется постоянной (периодом) дифракционной решетки.

По принципу Гюйгенса – Френеля каждая щель является источником когерентных вторичных волн, способных интерферировать друг с другом. Если на дифракционную решетку перпендикулярно к ней падает пучок параллельных лучей света, то под углом дифракции на экране Э, расположенном в фокальной плоскости линзы, будет наблюдаться система дифракционных максимумов и минимумов, полученных в результате интерференции света от различных щелей.

Главные максимумы при дифракции на решетке наблюдаются под углами , удовлетворяющими условию

,

где называется порядком главного максимума. Величина является оптической разностью хода между лучами BM и DN, идущими от соседних щелей.

Главные минимумы от дифракционной решетки наблюдаются под такими углами дифракции , для которых свет от разных частей каждой щели полностью гасится в результате интерференции. Условие главных минимумов совпадает с условием ослабления на одной щели

.

При наблюдении дифракции на решетке в немонохроматическом свете все главные максимумы, кроме центрального нулевого, окрашены. С увеличением длины волны главные максимумы внутри данного порядка располагаются под большими углами от центрального. Радужная полоска, содержащая семь цветов – от фиолетового до красного (считается от центрального максимума), называется дифракционным спектром. Дифракционная решетка является одним из простейших достаточно точных устройств для измерения длин волн.