Дифракция света в щели и в дифракционной решетке

 

Вторым признаком волновой природы света служит явление дифракции (латинский - огибание).

Дифракцией называется огибание волнами препятствий.

Величина препятствия или отверстия, при которой становится заметной дифракция, зависит от длины волны. Чем меньше размеры препятствия (или отверстия) по сравнению с длиной волны, тем заметнее явление дифракции (рисунок 8). Когда размеры препятствия (отверстия) соизмеримы с длиной волны, дифракция обнаруживается в непосредственной близости от препятствия (а). Чем больше размеры препятствия (б), тем на более далеком расстоянии от него обнаруживается явление дифракции.

Из принципа Гюйгенса можно заключить, что дифракционные явления обусловлены интерференцией элементарных волн на границе отсеченного препятствием фронта волны.

 

		Рисунок 8. Зависимость дифракции от размера препятствия

 

Рассмотрим дифракцию света. Поскольку длины волн светового излучения очень малы, дифракцию света можно наблюдать на относительно больших расстояниях от препятствия или отверстия. Для наблюдения дифракции от узкой щели на пути параллельных монохроматических лучей ставят непрозрачный экран с узкой щелью. На некотором расстоянии от него помещают второй экран, на котором наблюдают дифракционную картину (рисунок 9).

Против щели будет видна светлая полоса, ширина которой оказывается тем больше, чем уже щель. За светлой полосой О чередуются темные и светлые полосы. На практике, чтобы дифракционная картина была достаточно яркой, нужно пропускать свет через несколько щелей. В этом случае

кроме дифракции будет еще присутствовать и явление интерференции. На экране будут видны яркие и узкие светящиеся линии на темном фоне. Чем больше щелей и чем ближе они друг к другу, тем ярче и уже те места, где лучи накладываются с одинаковыми фазами.

На этом принципе построены дифракционные решетки. Большое число параллельных и очень близко расположенных узких щелей, которые пропускают или отражают свет, называют дифракционной решеткой. На 1 мм дифракционной решетки наносится более 1000 штрихов, а общее число штрихов в решетке доходит до 10⁵. Важной характеристикой является d - постоянная решетки.

d

C

B

A

 

Рисунок 10. Явление дифракции в дифракционной решетке.

AB – фронт волны. AC – разность хода лучей.

 

Разность хода лучей AC (рисунок 10), создающая светлые полосы на экране, всегда составляет целое число k длин волн l.

. Формула справедлива и для k = 0, т.е. в центре экрана тоже образуется светлая полоса. Из этой формулы следует, что для измерения длины волны света нужно измерить лишь угол j, т.к. k и d известны.

Каждую светлую линию на экране называют максимумом, а соответствующее ей значение k – порядком, т.е. в середине экрана виден максимум нулевого порядка, следующая светлая полоса – максимум первого порядка и т.д.

Опыт показывает, что максимумы расположены на равных расстояниях друг от друга, причем расстояние зависит от длины волны света l.

 

Понятие о поляризации света

 

Третьим признаком волновой природы света служит явление поляризации. Естественный солнечный свет не поляризован, т.е. электромагнитные колебания в плоскости, перпендикулярной к лучу, происходят по всем направлениям и ни одно из них не имеет преимущества перед другими (рисунок 11,а).

 

 

 

Рисунок 11. Поляризация света

 

Если колебания всех точек в поперечной волне, расположенных на одном луче, происходят в одной плоскости, то эту волну называют плоскополяризованной, а плоскость, перпендикулярную к направлению колебаний, называют плоскостью поляризации волны. На рисунке 11,б изображена частично поляризованная световая волна, а на рисунке 11,в – полностью поляризованная световая волна.

Прибор, с помощью которого определяют, поляризована или нет проходящая через него волна, называют анализатором. Прибор, при прохождении через который неполяризованная волна превращается в поляризованную, называется поляризатором.

Поляризованными могут быть только поперечные волны.

Световые лучи можно поляризовать, например, с помощью кристаллов турмалина (рисунок 12). Турмалин является поляризатором из-за анизотропии – поглощения излучений с колебаниями одного определенного направления и не поглощение колебаний в противоположном направлении. Это свойство называется дихроизмом.

 

 

Опыты показали, что:

- световое излучение является поперечными волнами;

- у естественного луча света колебания в плоскости перпендикулярной к лучу происходят по всем направлениям и ни одно из них не имеет преимущества перед другими;

- кварц и сахар поворачивают плоскость колебаний вектора Е пропорционально пройденному пути;

- если поляризованный луч распространяется вдоль линий индукции магнитного поля, то его плоскость поляризации поворачивается;

- при отражении и преломлении лучей на границе двух прозрачных сред поляризуются как отраженный, так и преломленный лучи. Преломленный луч поляризуется всегда частично. Для отраженного луча всегда существует одно направление, в котором он полностью поляризуется. Для этого необходимо, чтобы и , где:

a - угол падения, а b - угол преломления луча. При этом условии наблюдается и наибольшая поляризация преломленного луча.

 

Понятие о голографии

 

Одним из практических применений волновых свойств света является голография (греч. «голос» - полный, «графи» - пишу). Принципы голографии сформулировал Д. Габор в 1948 году. Суть идеи состояла в фиксировании полной информации о предмете – не только по амплитуде света, но и по его фазе. С появлением лазеров в 1960 году, обладающих когерентностью излучения, голографический метод записи информации стал реальностью.

Голографический метод состоит из двух этапов. На первом этапе получают голограмму – интерференционную картину, возникающую на фотопластинке при сложении двух когерентных пучков света.

Один из них (рисунок 13) отражается от зеркала (опорный пучок), а другой от предмета (сигнальный или предметный пучок). Оба этих потока образуют на фотопластинке интерференционную картину, представляющую собой чередование светлых и темных пятен. После обработки фотопластинки те участки голограммы, где фазы двух пучков совпадали, окажутся наиболее прозрачными. Темные участки голограммы образовались пучками, накладывающимися в противофазе. Голографическое изображение предмета на фотопластинке совершенно не соответствует внешнему виду предмета.

 

Рисунок 13. Создание интерференционной картины на пластинке

 

Для восстановления голограммы ее освещают таким же когерентным излучением (рисунок 14).

 

 

Рисунок 14. Получение

изображения от

голографической пластинки

 

На прозрачных и непрозрачных участках голограммы, как на дифракционной решетке, происходит дифракция когерентного излучения. В результате получаются два изображения – мнимое и действительное. Глядя сквозь голограмму, как сквозь окно, мы видим мнимое изображение, образованное дифракционным спектром первого порядка.

Свойство голограмм и их использование. На голограмме фиксируется не только амплитуда, но и фаза волн. Практически на каждую точку поверхности фотопластинки падает излучение, отраженное от всех точек предмета. Поэтому изображение предмета можно получить по любой достаточно малой части голограммы, но худшего качества, чем от полной голограммы. Если при восстановлении голограммы пользоваться когерентными волнами с l₁ >l_излуч., то изображение будет увеличено в раз. В настоящее время разрабатываются рентгеновские голографические микроскопы. В них голограммы будут создаваться рентгеновскими лучами с длиной волны l» 1нм, а восстанавливаться видимым светом. Общее увеличение таких микроскопов составит 10⁵ – 10⁶ раз, что в тысячу раз лучше оптических микроскопов. С помощью голографии можно увидеть картину звуковых колебаний, можно фиксировать вибрации и деформации в работающих узлах машин

Объемные голограммы. В 1962 году Денисюк разработал метод создания объемных голограмм. Толстослойная фотоэмульсия освещается с двух сторон опорным и отраженным от объекта пучками, идущими навстречу друг другу. В фотоэмульсии возбуждается система стоячих волн, которые создают интерференционное изображение в виде системы плоскостей, образованных в пучностях стоячих волн. Особенность таких голограмм в том, что восстановить изображение можно немонохроматическим светом (например, солнечным). Для получения максимума интерференционной картины необходима разность хода лучей, равная целому числу длин волн. Поэтому, если осветить голограмму солнечным светом, голографическое объемное изображение возникнет только для тех волн, для которых справедливо вышеуказанное условие интерференционного максимума. Голограмма сама из всего спектра выделит длины волн, удовлетворяющие этому условию.