Дифракция Света

Дифракция Света, явления, наблюдающиеся при распространении света мимо резких краев непрозрачных или прозрачных тел, сквозь узкие отверстия. При этом происходит нарушение прямолинейности распространения света, т. е. отклонение от законов геометрической оптики. Вследствие дифракции света при освещении непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где, согласно законам геометрической оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд светлых и темных дифракционных полос (рис. 1 и 2). Поскольку дифракция свойственна всякому волновому движению, открытие дифракции света в 17 в. итальянским физиком и астрономом Ф. Гримальди и ее объяснение в начале 19 в. французским физиком О. Френелем явились одним из основных доказательств волновой природы света.

Рис. 1. Тень винта, окруженная дифракционными полосами.

Приближенная теория дифракции света основана на применении Гюйгенса-Френеля принципа. Для качественного рассмотрения простейших случаев дифракции света может быть применено построение зон Френеля. При прохождении света от точечного источника через небольшое круглое отверстие в непрозрачном экране (рис. 2, а) или вокруг круглого непрозрачного экрана (рис. 2, б) наблюдаются дифракционные полосы в виде концентрических окружностей.

Рис. 2. Дифракционные кольца при прохождении света: слева - через круглое отверстие; справа - вокруг круглого экрана.

Если отверстие оставляет открытым четное число зон, то в центре дифракционной картины получается темное пятнышко, при нечетном числе зон - светлое. В центре тени от круглого экрана, закрывающего не слишком большое число зон Френеля, получается светлое пятнышко.

Различают 2 случая дифракции света - дифракция сферической волны, при которой размер отверстия сравним с размером зоны Френеля, т. е. b~√(z λ), где b - размер отверстия, z - расстояние точки наблюдения от экрана, λ - длина волны (дифракция Френеля), и дифракцию света в параллельных лучах, при которой отверстие много меньше одной зоны Френеля, т. е. b<< √(z λ) (дифракция Фраунгофера). В последнем случае при падении параллельного пучка света на отверстие пучок становится расходящимся с углом расходимости φ ~ λ /b (дифракционная расходимость).

Рис. 3. Дифракция Фраунгофера на щели.

Большое практическое значение имеет случай дифракции света на щели. При освещении щели параллельным пучком монохроматического света на экране получается ряд темных и светлых полос, быстро убывающих по интенсивности. Если свет падает перпендикулярно к плоскости щели, то полосы расположены симметрично относительно центральной полосы (рис. 3), а освещенность меняется вдоль экрана периодически с изменением φ, обращаясь в нуль при углах φ, для которых sin φ = m λ/b (m = 1,2,3,...). При промежуточных значениях освещенность достигает максимальных значений. Главный максимум имеет место при m=0, при этом sin φ = 0, т. е. φ = 0. Следующие максимумы, значительно уступающие по величине главному, соответствуют значениям φ, определенным из условий: sin φ = l,43λ/b; 2.46λ/6b; 3,47λ/b и т. д.

С уменьшением ширины щели центральная светлая полоса расширяется, а при данной ширине щели положение минимумов и максимумов зависит от λ, т. е. расстояние между полосами тем больше, чем больше λ. Поэтому в случае белого света имеет место совокупность соответствующих картин для разных цветов. При этом главный максимум будет общим для всех λ и представится в виде белой полоски, переходящей в цветные полосы с чередованием цветов от фиолетового к красному.

Если имеются 2 идентичные параллельные щели, то они дают одинаковые накладывающиеся друг на друга дифракционные картины, вследствие чего максимумы соответственно усиливаются, а кроме того, происходит взаимная интерференция волн от первой и второй щелей, значительно осложняющая картину. В результате минимумы будут на прежних местах, т. к. это те направления, по которым ни одна из щелей не посылает света. Кроме того, возможны направления, в которых свет, посылаемый двумя щелями, взаимно уничтожается. Таким образом, прежние минимумы определяются условиями: b sin φ = λ, 2λ, Зλ, . ., добавочные минимумы d sin φ = λ/2, Зλ/2, 5λ/2, ... (d - размер щели b вместе с непрозрачным промежутком а), главные максимумы d sin φ = 0, λ, 2λ, Зλ, ..., т. е. между двумя главными максимумами располагается один добавочный минимум, а максимумы становятся более узкими, чем при одной щели. Увеличение числа щелей делает это явление еще более отчетливым.

Дифракция света играет существенную роль при рассеянии света в мутных средах, напр. на пылинках, капельках тумана и т. п. На дифракции света основано действие спектральных приборов с дифракционной решеткой (дифракционных спектрометров). Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.). Благодаря дифракции света изображение точечного источника (например, звезды в телескопе) имеет вид кружка с диаметром λf/D, где D - диаметр объектива, a f - его фокусное расстояние. Расходимость излучения лазеров также определяется дифракцией света. Для уменьшения расходимости лазерного пучка его преобразуют в более широкий пучок при помощи телескопа, и тогда расходимость излучения определяется диаметром D объектива по формуле φ~λ/D.