Primjer manifestacije difrakcije je. Školska enciklopedija

Karakteristike difrakcije svjetlosti kao skupa pojava koje su uzrokovane talasnom prirodom svjetlosti dok se širi u mediju. Povreda simetrije distribucije poremećaja u poprečnom talasu. Suština efekata difrakcije i polarizacije talasa.

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Difrakcija svjetlosti je skup pojava koje su uzrokovane talasnom prirodom svjetlosti i uočavaju se kada se širi u mediju sa izraženim nehomogenostima (na primjer, pri prolasku kroz rupe u neprozirnim ekranima, blizu granica neprozirnih tijela itd. ) U užem smislu, difrakcija se shvata kao pojava savijanja svetlosti oko malih prepreka, tj. odstupanja od zakona geometrijske optike i, posljedično, prodor svjetlosti u područje geometrijske sjene.

Fresnel je objasnio difrakciju svjetlosti kao rezultat interferencije sekundarnih valova prema Huygens-Fresnelovom principu. [Huygens-Fresnelov princip je približna metoda za rješavanje problema širenja valova, posebno svjetlosnih. Prema Huygens-Fresnelovom principu, svaki element površine do kojeg je val stigao u datom trenutku je centar elementarnih valova, čiji će omotač biti valna površina u sljedećem trenutku u vremenu talasa koji se širi može se u bilo kom trenutku predstaviti omotačem svih sekundarnih (elementarnih) talasa, sl.1. Izvori sekundarnih talasa su tačke do kojih je front primarnog talasa stigao u prethodnom trenutku. Pretpostavlja se da se sekundarni talasi emituju samo "naprijed", tj. u smjerovima koji čine oštre uglove sa smjerom vanjske normale na prednji dio primarnog vala. Huygensov princip nam omogućava da objasnimo zakone refleksije i prelamanja svjetlosti, ali nije dovoljan da objasnimo difrakcijski obrazac.

difrakcijski polarizacijski val svjetlosti

U širem tumačenju, difrakcija je povezana sa veoma širokim spektrom pojava koje nastaju tokom širenja talasa u nehomogenim medijima, kao i pri širenju talasa ograničenih u prostoru. Difrakcija je usko povezana sa fenomenom interferencije - međusobnog povećanja ili slabljenja amplitude dva ili više koherentnih talasa koji se istovremeno šire u prostoru. Prate ga naizmjenični maksimumi i minimumi intenziteta u prostoru. Rezultat interferencije (interferentni uzorak - hologram) ovisi o razlici faza preklapajućih valova. interferencija u tankim filmovima (metoda podjele talasnog fronta), u kojoj se dodaju elektromagnetski valovi reflektirani od dvije površine. Ovisno o odnosu između debljine filma i valne dužine zračenja, uočava se povećanje ili smanjenje boje.

Kada se osvijetli bijelom svjetlošću (mješavina različitih valnih dužina), pojavljuje se boja koja ovisi o debljini filma (na primjer, duge mrlje na mrlji od ulja u vodi). Opisani način bojenja se koristi u prirodi: šarene boje leptirastih krila nisu posljedica prisustva pigmenta za bojenje, već interferencije svjetlosti u tankim prozirnim ljuskama krila. U tehnologiji se interferentni premazi koriste za stvaranje ogledala visoke refleksije („dielektrična ogledala“) i za posvjetljavanje optike (slabljenje valova reflektiranih od brojnih površina sočiva složenih sočiva). Visoka osjetljivost posmatranog uzorka raspodjele intenziteta na razliku putanja interferirajućih zraka leži u osnovi cijele klase ultra-preciznih instrumenata koji se nazivaju interferometri. Na primjer, mjerenje ultra-niskih brzina kretanja (nekoliko centimetara godišnje): klizanje glečera, drift kontinenta itd.

Proizvodnja visokokvalitetnih holograma postala je moguća nakon stvaranja lasera - moćnih izvora monokromatskog zračenja koji mogu proizvesti stabilan interferentni uzorak čak i uz velike razlike u putanji interferentnih zraka.

Štoviše, sam fenomen difrakcije često se tumači kao poseban slučaj interferencije (interferencija sekundarnih valova.

Visokoosjetljivi spektralni instrumenti s difrakcijskom rešetkom kao disperznim elementom (monohromatori, spektrografi, spektrofotometri itd.) koji koriste fenomen difrakcije svjetlosti postali su široko rasprostranjeni. Difrakcija ultrazvučnih talasa u prozirnim medijima omogućava određivanje elastičnih konstanti supstance, kao i stvaranje akusto-optičkih modulatora svetlosti.

Opseg praktične primjene uređaja baziranih na kvantnim optičkim fenomenima je vrlo širok - fotoćelije i fotomultiplikatori, pojačivači svjetline slike (elektronsko-optički pretvarači), predajne televizijske cijevi itd. Fotoćelije se koriste ne samo za snimanje zračenja, već i kao uređaji koji pretvaraju energiju zračenja Sunca u električnu za napajanje električne, radio i druge opreme (tzv. solarni paneli). Na osnovu fotohromnih materijala razvijaju se novi sistemi za snimanje i skladištenje informacija za potrebe računarske tehnologije, a kreirani su i zaštitni svetlosni filteri sa automatskim povećanjem apsorpcije svetlosti sa povećanjem njenog intenziteta. Proizvodnja snažnih tokova monokromatskog laserskog zračenja različitih talasnih dužina otvorila je put razvoju optičkih metoda za razdvajanje izotopa i stimulisanja usmerenog odvijanja hemijskih reakcija, te omogućila pronalaženje novih, nekonvencionalnih primena u biofizici (efekat lasera). svjetlosne struje na biološke objekte na molekularnom nivou) i medicina (vidi. Lasersko zračenje). U tehnologiji je upotreba lasera dovela do pojave optičkih metoda za obradu materijala

Difrakcija valova se opaža bez obzira na njihovu prirodu i može se manifestirati:

· u transformaciji prostorne strukture talasa. U nekim slučajevima, takva transformacija se može smatrati valovima koji se "savijaju oko" prepreka, u drugim slučajevima - kao proširenje ugla širenja valnih zraka ili njihovo skretanje u određenom smjeru;

· u dekompoziciji talasa prema njihovom frekvencijskom spektru;

Njutn je uveo termin spektar u naučnu upotrebu 1671-1672 da označi višebojnu traku, sličnu dugi, koja se dobija kada solarni zraci prođe kroz trouglastu staklenu prizmu. Na primjer, duga nastaje kada Sunce obasjava kišnu zavjesu. Kako kiša jenjava, a zatim prestaje, duga blijedi i postepeno nestaje. Boje uočene u dugi se izmjenjuju istim redoslijedom kao u spektru dobivenom prolaskom sunčeve svjetlosti kroz prizmu.

· u transformaciji polarizacije talasa;

Polarizacija talasa je fenomen narušavanja simetrije distribucije smetnji u poprečnom talasu (na primer, jačine električnih i magnetnih polja u elektromagnetnim talasima) u odnosu na smer njegovog širenja. Kod longitudinalnog talasa ne može doći do polarizacije, jer se poremećaji u ovoj vrsti talasa uvek poklapaju sa smerom širenja. Najčešće se ovaj fenomen koristi za stvaranje različitih optičkih efekata, kao i u 3D bioskopu (IMAX tehnologija), gdje se polarizacija koristi za razdvajanje slika namijenjenih desnom i lijevom oku.

· u promjeni fazne strukture talasa.

Efekti difrakcije zavise od odnosa između talasne dužine i karakteristične veličine nehomogenosti u mediju ili nehomogenosti u strukturi samog talasa. U prirodi su primjer difrakcije fatamorgane - to su odrazi nekih stvari ili pojava na površini vrućeg pijeska, asfalta, mora itd. To se događa jer je temperatura različita u različitim slojevima zraka, a temperaturna razlika djeluje kao ogledalo. Privid je nešto drugo od reflektiranih objekata ili pojava koje prihvaćamo kao stvarnost.

Aurore nastaju kao rezultat bombardiranja gornjih slojeva atmosfere nabijenim česticama koje se kreću prema Zemlji duž linija geomagnetnog polja iz područja blizu Zemlje zvanog sloj plazme. Projekcija sloja plazme duž linija geomagnetnog polja na Zemljinu atmosferu ima oblik prstenova koji okružuju sjeverni i južni magnetni pol

Listaknjiževnost

Mirošnikov M.M. Teorijske osnove optičko-elektronskih uređaja: udžbenik za instrumentarske univerzitete. - 2. izdanje, revidirano. i dodatne - Sankt Peterburg: Mašinstvo, 2003 - 696 str.

Born M., Wolf E. Osnovi optike. - M.: Nauka, 1970. - 856 str.

Wikipedia

Objavljeno na Allbest.ru

Slični dokumenti

Teorija fenomena. Difrakcija je skup pojava tokom širenja svjetlosti u sredini sa oštrim nehomogenostima. Pronalaženje i proučavanje funkcije raspodjele intenziteta svjetlosti tokom difrakcije od okrugle rupe. Matematički model difrakcije.

kurs, dodan 28.09.2007


Osnove teorije difrakcije svjetlosti. Eksperimenti o difrakciji svjetlosti, uslovi za njenu pojavu. Karakteristike difrakcije ravnih talasa. Opis širenja elektromagnetnih valova primjenom Huygens-Fresnelovog principa. Fraunhoferova difrakcija na otvoru.

prezentacija, dodano 23.08.2013


Pregled difrakcije konvergentnih zraka (Fresnel). Pravila za difrakciju svjetlosnih valova na okrugloj rupi i disku. Fraunhoferov difrakcijski dijagram. Studija raspodjele intenziteta svjetlosti na ekranu. Određivanje karakterističnih parametara uzorka difrakcije.

prezentacija, dodano 24.09.2013


Difrakcija mehaničkih talasa. Povezanost fenomena svjetlosne interferencije na primjeru Jungovog eksperimenta. Huygens-Fresnelov princip, koji je glavni postulat teorije valova, koji omogućava objašnjenje fenomena difrakcije. Granice primjene geometrijske optike.

prezentacija, dodano 18.11.2014


Proučavanje raspodjele intenziteta svjetlosti na ekranu kako bi se dobile informacije o svojstvima svjetlosnog vala je zadatak proučavanja difrakcije svjetlosti. Huygens-Fresnel princip. Metoda Fresnel zone, povećanje intenziteta svjetlosti pomoću zonske ploče.

prezentacija, dodano 18.04.2013


Proučavanje difrakcije, fenomena odstupanja svjetlosti od pravolinijskog smjera širenja pri prolasku u blizini prepreka. Karakteristike savijanja svjetlosnih valova oko granica neprozirnih tijela i prodora svjetlosti u područje geometrijske sjene.

prezentacija, dodano 06.07.2011


Koncept difrakcije svetlosnih talasa. Raspodjela intenziteta svjetlosti u difrakcijskom uzorku kada je prorez osvijetljen paralelnim snopom monokromatske svjetlosti. Difrakciona rešetka, Huygens-Fresnel princip, zonska metoda. Fraunhoferova difrakcija sa jednim prorezom.

sažetak, dodan 09.07.2010


Analiza teorija širenja elektromagnetnih talasa. Karakteristike disperzije, interferencije i polarizacije svjetlosti. Metodologija za proučavanje Fraunhoferove difrakcije na dva proreza. Utjecaj difrakcije na rezoluciju optičkih instrumenata.

kurs, dodato 19.01.2015


Proučavanje fenomena interferencije i difrakcije. Eksperimentalne činjenice koje ukazuju na poprečnu prirodu svjetlosnih valova. Zaključak o postojanju elektromagnetnih talasa, elektromagnetska teorija svetlosti. Prostorna struktura eliptično polariziranog vala.

prezentacija, dodano 11.12.2009


Proučavanje raspodjele intenziteta svjetlosti na ekranu u cilju dobivanja informacija o svojstvima svjetlosnog vala. Glavne vrste difrakcije. Objašnjenje prodora svjetlosnih valova u područje geometrijske sjene koristeći Huygensov princip. Von Fresnel metoda.

Teme kodifikatora Jedinstvenog državnog ispita: difrakcija svjetlosti, difrakciona rešetka.

Ako se na putu vala pojavi prepreka, onda difrakcija - odstupanje talasa od pravolinijskog prostiranja. Ovo odstupanje se ne može svesti na refleksiju ili prelamanje, kao i na zakrivljenost putanje zraka zbog promjene indeksa prelamanja medija oblast geometrijske senke.

Neka, na primjer, ravni talas pada na ekran sa prilično uskim prorezom (slika 1). Na izlazu iz proreza pojavljuje se divergentni val, a ova divergencija se povećava kako se širina proreza smanjuje.

Općenito, fenomeni difrakcije su izraženiji jasnije što je prepreka manja. Difrakcija je najznačajnija u slučajevima kada je veličina prepreke manja ili reda valne dužine. Upravo taj uslov treba da zadovolji širina proreza na sl. 1.

Difrakcija je, kao i interferencija, karakteristična za sve vrste valova - mehaničke i elektromagnetne. Vidljiva svjetlost je poseban slučaj elektromagnetnih valova; stoga nije iznenađujuće što se može primijetiti
difrakcija svetlosti.

Dakle, na sl. Na slici 2 prikazana je difrakciona slika dobijena kao rezultat prolaska laserskog zraka kroz malu rupu prečnika 0,2 mm.

Vidimo, očekivano, centralnu svetlu tačku; Vrlo daleko od mjesta nalazi se tamno područje - geometrijska sjena. Ali oko centralne tačke - umesto jasne granice svetlosti i senke! - postoje naizmjenični svijetli i tamni prstenovi. Što je dalje od centra, svjetlosni prstenovi postaju manje sjajni; postepeno nestaju u području sjene.

Podseća me na smetnje, zar ne? Ovo je ona; ovi prstenovi su maksimumi i minimumi interferencije. Koji talasi se ovde mešaju? Uskoro ćemo se pozabaviti ovim pitanjem, a ujedno ćemo saznati zašto se uopće opaža difrakcija.

Ali prvo, ne može se ne spomenuti prvi klasični eksperiment interferencije svjetlosti - Youngov eksperiment, u kojem je značajno korišten fenomen difrakcije.

Jungovo iskustvo.

Svaki eksperiment koji uključuje interferenciju svjetlosti sadrži neki metod za proizvodnju dva koherentna svjetlosna talasa. U eksperimentu sa Fresnelovim ogledalima, kao što se sećate, koherentni izvori su bile dve slike istog izvora dobijene u oba ogledala.

Najjednostavnija ideja koja mi je prva pala na pamet je ova. Probušimo dvije rupe u komadu kartona i izložimo ga sunčevim zracima. Ove rupe će biti koherentni sekundarni izvori svjetlosti, jer postoji samo jedan primarni izvor - Sunce. Shodno tome, na ekranu u području preklapanja greda koje odstupaju od rupa, trebali bismo vidjeti uzorak interferencije.

Takav eksperiment je mnogo prije Junga izveo talijanski naučnik Francesco Grimaldi (koji je otkrio difrakciju svjetlosti). Međutim, smetnje nisu uočene. Zašto? Ovo pitanje nije baš jednostavno, a razlog je taj što Sunce nije tačka, već prošireni izvor svjetlosti (ugaona veličina Sunca je 30 lučnih minuta). Solarni disk se sastoji od mnogih tačkastih izvora, od kojih svaki proizvodi svoj vlastiti uzorak interferencije na ekranu. Preklapajući se, ovi pojedinačni uzorci „razmazuju” jedan drugog, a kao rezultat, ekran proizvodi ujednačeno osvjetljenje područja gdje se snopovi preklapaju.

Ali ako je Sunce pretjerano "veliko", onda ga je potrebno umjetno stvarati tacka primarni izvor. U tu svrhu, Youngov eksperiment koristio je malu preliminarnu rupu (slika 3).

Rice. 3. Jungov dijagram iskustva

Ravan val pada na prvu rupu, a iza rupe se pojavljuje svjetlosni konus koji se širi zbog difrakcije. Dospije do sljedeće dvije rupe, koje postaju izvori dva koherentna svjetlosna konusa. Sada će - zahvaljujući tačkastoj prirodi primarnog izvora - biti uočen interferencijski obrazac u području gdje se čunjevi preklapaju!

Thomas Young je izveo ovaj eksperiment, izmjerio širinu interferentnih rubova, izveo formulu i koristeći ovu formulu po prvi put izračunao valne dužine vidljive svjetlosti. Zato je ovaj eksperiment jedan od najpoznatijih u istoriji fizike.

Huygens–Fresnel princip.

Prisjetimo se formulacije Huygensovog principa: svaka tačka uključena u talasni proces je izvor sekundarnih sfernih talasa; ovi talasi se šire iz date tačke, kao iz centra, u svim pravcima i međusobno se preklapaju.

Ali postavlja se prirodno pitanje: šta znači „preklapanje“?

Hajgens je sveo svoj princip na čisto geometrijsku metodu konstruisanja nove talasne površine kao omotača porodice sfera koja se širi iz svake tačke prvobitne talasne površine. Sekundarni Hajgensovi talasi su matematičke sfere, a ne stvarni talasi; njihov ukupni efekat se manifestuje samo na omotaču, odnosno na novom položaju valne površine.

U ovom obliku, Hajgensov princip nije dao odgovor na pitanje zašto talas koji putuje u suprotnom smeru ne nastaje tokom prostiranja talasa. Fenomen difrakcije također je ostao neobjašnjiv.

Modifikacija Hajgensovog principa dogodila se tek 137 godina kasnije. Augustin Fresnel zamijenio je Huygensove pomoćne geometrijske sfere stvarnim valovima i predložio da ti valovi ometati zajedno.

Huygens–Fresnel princip. Svaka tačka talasne površine služi kao izvor sekundarnih sfernih talasa. Svi ovi sekundarni talasi su koherentni zbog njihovog zajedničkog porekla iz primarnog izvora (i stoga mogu interferirati jedan sa drugim); talasni proces u okolnom prostoru rezultat je interferencije sekundarnih talasa.

Fresnelova ideja ispunila je Huygensov princip fizičkim značenjem. Sekundarni valovi, interferirajući, međusobno se pojačavaju na omotaču svojih valnih površina u smjeru "naprijed", osiguravajući dalje širenje vala. A u smjeru "nazad", oni ometaju izvorni val, uočava se međusobno poništavanje, a povratni val ne nastaje.

Konkretno, svjetlost se širi tamo gdje se sekundarni valovi međusobno pojačavaju. A na mestima gde sekundarni talasi slabe, videćemo tamna područja prostora.

Huygens-Fresnelov princip izražava važnu fizičku ideju: val, nakon što se udalji od svog izvora, kasnije "živi svoj život" i više ne ovisi o tom izvoru. Zahvaćajući nova područja prostora, talas se širi sve dalje i dalje zbog interferencije sekundarnih talasa pobuđenih u različitim tačkama u prostoru dok talas prolazi.

Kako Huygens–Fresnel princip objašnjava fenomen difrakcije? Zašto, na primjer, dolazi do difrakcije na rupi? Činjenica je da iz beskonačne ravne valne površine upadnog vala, rupa na ekranu izrezuje samo mali svjetleći disk, a naknadno svjetlosno polje nastaje kao rezultat interferencije valova iz sekundarnih izvora koji se ne nalaze na cijeloj ravnini. , ali samo na ovom disku. Naravno, nove talasne površine više neće biti ravne; put zraka je savijen, a val se počinje širiti u različitim smjerovima koji se ne poklapaju s izvornim. Val ide oko rubova rupe i prodire u područje geometrijske sjene.

Sekundarni talasi koje emituju različite tačke isečenog svetlosnog diska interferiraju jedni s drugima. Rezultat interferencije je određen faznom razlikom sekundarnih talasa i zavisi od ugla skretanja zraka. Kao rezultat, dolazi do izmjene maksimuma i minimuma interferencije - što smo vidjeli na Sl. 2.

Fresnel ne samo da je dopunio Huygensov princip važnom idejom koherentnosti i interferencije sekundarnih talasa, već je došao i do svoje poznate metode za rješavanje problema difrakcije, zasnovane na konstrukciji tzv. Fresnelove zone. Proučavanje Fresnelovih zona nije uključeno u školski kurikulum - o njima ćete učiti na univerzitetskom kursu fizike. Ovdje ćemo samo spomenuti da je Fresnel, u okviru svoje teorije, uspio dati objašnjenje našeg prvog zakona geometrijske optike - zakona pravolinijskog širenja svjetlosti.

Difrakciona rešetka.

Difrakciona rešetka je optički uređaj koji vam omogućava razlaganje svjetlosti na spektralne komponente i mjerenje valnih dužina. Difrakcione rešetke su prozirne i reflektirajuće.

Razmotrićemo prozirnu difrakcionu rešetku. Sastoji se od velikog broja proreza širine, razdvojenih intervalima širine (slika 4). Svetlost prolazi samo kroz proreze; praznine ne dozvoljavaju prolaz svjetlosti. Količina se naziva period rešetke.

Rice. 4. Difrakciona rešetka

Difrakciona rešetka se pravi pomoću takozvane mašine za podelu, koja nanosi pruge na površinu stakla ili prozirnog filma. U ovom slučaju, potezi se ispostavljaju kao neprozirni prostori, a netaknuta mjesta služe kao pukotine. Ako, na primjer, difrakciona rešetka sadrži 100 linija po milimetru, tada će period takve rešetke biti jednak: d = 0,01 mm = 10 mikrona.

Prvo ćemo pogledati kako monohromatska svjetlost, odnosno svjetlost sa strogo definisanom talasnom dužinom, prolazi kroz rešetku. Odličan primjer monohromatskog svjetla je snop laserskog pokazivača s talasnom dužinom od oko 0,65 mikrona).

Na sl. Na slici 5 vidimo da takav snop pada na jednu od standardnih difrakcionih rešetki. Prorezi na rešetki su postavljeni okomito, a na ekranu iza rešetke uočavaju se periodično locirane vertikalne pruge.

Kao što ste već shvatili, ovo je obrazac interferencije. Difrakciona rešetka dijeli upadni val na mnogo koherentnih snopova, koji se šire u svim smjerovima i interferiraju jedan s drugim. Stoga na ekranu vidimo izmjenu maksimuma i minimuma interferencije - svijetle i tamne pruge.

Teorija difrakcionih rešetki je vrlo složena i u svojoj cjelini je daleko izvan okvira školskog programa. Trebali biste znati samo najosnovnije stvari vezane za jednu formulu; ova formula opisuje položaje maksimalnog osvjetljenja ekrana iza difrakcione rešetke.

Dakle, neka ravan monohromatski talas padne na difrakcionu rešetku sa periodom (slika 6). Talasna dužina je .

Rice. 6. Difrakcija rešetke

Da bi uzorak interferencije bio jasniji, možete postaviti sočivo između rešetke i ekrana i postaviti ekran u žižnu ravan sočiva. Tada će se sekundarni talasi, koji putuju paralelno iz različitih proreza, konvergirati u jednoj tački na ekranu (bočni fokus sočiva). Ako se ekran nalazi dovoljno daleko, onda nema posebne potrebe za sočivom - zraci koji dolaze u datu tačku na ekranu iz različitih proreza već će biti gotovo paralelni jedni s drugima.

Razmotrimo sekundarne talase koji odstupaju za ugao. Razlika putanje između dva talasa koja dolaze iz susednih proreza jednaka je malom kraku pravouglog trougla sa hipotenuzom. ili, što je ista stvar, ova razlika puta je jednaka kraku trougla. Ali ugao je jednak kutu jer su to oštri uglovi sa međusobno okomitim stranicama. Dakle, naša putanja razlika je jednaka .

Maksimumi interferencije se primećuju u slučajevima kada je razlika puta jednaka celom broju talasnih dužina:

(1)

Ako je ovaj uslov ispunjen, svi talasi koji dolaze u tačku iz različitih proreza će se zbrajati u fazi i pojačati jedan drugog. U ovom slučaju, sočivo ne uvodi dodatnu razliku u putanji - uprkos činjenici da različite zrake prolaze kroz sočivo na različitim putanjama. Zašto se to dešava? Nećemo ulaziti u ovo pitanje, jer njegova rasprava izlazi iz okvira Jedinstvenog državnog ispita iz fizike.

Formula (1) vam omogućava da pronađete uglove koji određuju smjerove do maksimuma:

. (2)

Kad ga dobijemo centralni maksimum, ili maksimum nulte narudžbe Razlika u putanji svih sekundarnih talasa koji putuju bez devijacije je nula, a na centralnom maksimumu oni se zbrajaju sa nultim faznim pomakom. Centralni maksimum je centar difrakcionog uzorka, najsjajniji od maksimuma. Difrakcijski uzorak na ekranu je simetričan u odnosu na centralni maksimum.

Kada dobijemo ugao:

Ovaj ugao postavlja smjerove za maksimumi prvog reda. Ima ih dva, a nalaze se simetrično u odnosu na centralni maksimum. Svjetlina u maksimumima prvog reda je nešto manja nego u centralnom maksimumu.

Slično, na imamo ugao:

On daje uputstva maksimumi drugog reda. Također ih ima dva, a također su smješteni simetrično u odnosu na središnji maksimum. Svjetlina u maksimumima drugog reda je nešto manja nego u maksimumima prvog reda.

Približna slika pravaca do maksimuma prva dva reda prikazana je na Sl. 7.

Rice. 7. Maksimum prva dva reda

Generalno, dva simetrična maksimuma k-red je određen uglom:

. (3)

Kada su mali, odgovarajući uglovi su obično mali. Na primjer, na μm i μm, maksimumi prvog reda nalaze se pod uglom k-red postepeno opada s rastom k. Koliko maksimuma možete vidjeti? Na ovo pitanje je lako odgovoriti pomoću formule (2). Na kraju krajeva, sinus ne može biti veći od jedan, dakle:

Koristeći iste numeričke podatke kao gore, dobijamo: . Stoga je najveći mogući maksimalni red za datu rešetku 15.

Pogledajte ponovo sl. 5 . Na ekranu možemo vidjeti 11 maksimuma. Ovo je centralni maksimum, kao i dva maksimuma prvog, drugog, trećeg, četvrtog i petog reda.

Koristeći difrakcionu rešetku, možete izmjeriti nepoznatu talasnu dužinu. Usmjeravamo snop svjetlosti na rešetku (čiji period znamo), mjerimo ugao na maksimumu prvog
reda, koristimo formulu (1) i dobijamo:

Difrakciona rešetka kao spektralni uređaj.

Iznad smo razmatrali difrakciju monohromatske svjetlosti, koja je laserski snop. Često morate da se nosite nemonokromatski radijacije. To je mješavina raznih monokromatskih valova koji čine domet ovog zračenja. Na primjer, bijela svjetlost je mješavina valova u cijelom vidljivom rasponu, od crvene do ljubičaste.

Optički uređaj se zove spektralno, ako vam omogućava da razložite svjetlost na monokromatske komponente i na taj način proučavate spektralni sastav zračenja. Najjednostavniji spektralni uređaj vam je dobro poznat - to je staklena prizma. Spektralni uređaji također uključuju difrakcijsku rešetku.

Pretpostavimo da bijela svjetlost pada na difrakcijsku rešetku. Vratimo se formuli (2) i razmislimo koji se zaključci iz nje mogu izvući.

Položaj centralnog maksimuma () ne zavisi od talasne dužine. U centru difrakcionog uzorka oni će konvergirati sa nultom razlikom putanje Sve monohromatske komponente bele svetlosti. Stoga ćemo na središnjem maksimumu vidjeti svijetlu bijelu prugu.

Ali pozicije maksimuma reda su određene talasnom dužinom. Što je manji , manji je ugao za dati . Dakle, maksimalno k Monohromatski talasi trećeg reda su odvojeni u prostoru: ljubičasta traka će biti najbliža centralnom maksimumu, crvena će biti najudaljenija.

Posljedično, u svakom redoslijedu, bijela svjetlost je položena rešetkom u spektar.
Maksimumi prvog reda svih monohromatskih komponenti formiraju spektar prvog reda; zatim postoje spektri drugog, trećeg i tako dalje reda. Spektar svakog reda ima oblik trake boja, u kojoj su prisutne sve dugine boje - od ljubičaste do crvene.

Difrakcija bijele svjetlosti prikazana je na sl. 8 . U središnjem maksimumu vidimo bijelu prugu, a sa strane se nalaze dva spektra prvog reda. Kako se ugao skretanja povećava, boja pruga se mijenja iz ljubičaste u crvenu.

Ali difrakciona rešetka ne dozvoljava samo da se posmatraju spektri, odnosno da se izvrši kvalitativna analiza spektralnog sastava zračenja. Najvažnija prednost difrakcijske rešetke je mogućnost kvantitativne analize – kao što je već spomenuto, uz njenu pomoć možemo izmjeriti talasne dužine. U ovom slučaju, postupak mjerenja je vrlo jednostavan: zapravo se svodi na maksimalno mjerenje ugla smjera.

Prirodni primjeri difrakcionih rešetki pronađenih u prirodi su ptičje perje, krila leptira i sedefna površina morske školjke. Ako zaškiljite i pogledate sunčevu svjetlost, možete vidjeti duginu boju oko trepavica. Naše trepavice u ovom slučaju djeluju kao prozirna difrakcijska rešetka na sl. 6, a sočivo je optički sistem rožnjače i sočiva.

Spektralnu dekompoziciju bijele svjetlosti, koju daje difrakciona rešetka, najlakše je uočiti gledanjem običnog kompaktnog diska (slika 9). Ispostavilo se da tragovi na površini diska formiraju reflektirajuću difrakcijsku rešetku!

Difrakcija svjetlosti je fenomen odstupanja svjetlosti od linearnog širenja u sredini sa oštrim nehomogenostima, tj. svjetlosni valovi se savijaju oko prepreka, ali pod uvjetom da su dimenzije potonjih uporedive s dužinom svjetlosnog talasa. Za crveno svjetlo, talasna dužina je λkr≈8∙10 -7 m, a za ljubičasto svjetlo - λ f ≈4∙10 -7 m l od prepreke, gde je D linearna veličina prepreke, λ je talasna dužina. Dakle, da bi se sagledao fenomen difrakcije, potrebno je ispuniti određene zahtjeve za veličinu prepreka, udaljenosti od prepreke do izvora svjetlosti, kao i snagu izvora svjetlosti. Na sl. Slika 1 prikazuje fotografije difrakcijskih uzoraka od raznih prepreka: a) tanke žice, b) okrugle rupe, c) okruglog ekrana.

Rice. 1

Za rješavanje problema difrakcije - pronalaženje distribucije na ekranu intenziteta svjetlosnog talasa koji se širi u mediju sa preprekama - koriste se približne metode zasnovane na Huygensovim i Huygens-Fresnelovim principima.

Huygensov princip: svaka tačka S 1, S 2,…,S n fronta AB talasa (slika 2) je izvor novih, sekundarnih talasa. Nova pozicija talasnog fronta A 1 B 1 nakon vremena
predstavlja površinu omotača sekundarnih talasa.

Huygens-Fresnel princip: svi sekundarni izvori S 1, S 2,…,S n koji se nalaze na površini talasa su međusobno koherentni, tj. imaju istu talasnu dužinu i konstantnu faznu razliku. Amplituda i faza talasa u bilo kojoj tački M prostora rezultat je interferencije talasa koje emituju sekundarni izvori (slika 3).

Rice. 2

Rice. 3

Pravolinijsko širenje zraka SM (slika 3) koje emituje izvor S u homogenom mediju objašnjava se Huygens-Fresnelovim principom. Svi sekundarni talasi koje emituju sekundarni izvori koji se nalaze na površini fronta AB talasa poništavaju se kao rezultat interferencije, osim talasa iz izvora koji se nalaze u malom delu segmenta ab, okomito na SM. Svjetlost putuje duž uskog konusa sa vrlo malom bazom, tj. skoro pravo napred.

Difrakciona rešetka.

Fenomen difrakcije je osnova za dizajn izuzetnog optičkog uređaja - difrakcione rešetke. Difrakciona rešetka u optici je skup velikog broja prepreka i rupa koncentrisanih u ograničenom prostoru na kojem dolazi do difrakcije svjetlosti.

Najjednostavnija difrakciona rešetka je sistem od N identičnih paralelnih proreza u ravnom neprozirnom ekranu. Dobra rešetka se pravi pomoću posebne mašine za podelu, koja proizvodi paralelne poteze na posebnoj ploči. Broj udaraca doseže nekoliko hiljada po 1 mm; ukupan broj udaraca prelazi 100.000 (slika 4).

Fig.5

Rice. 4

Ako je širina prozirnih prostora (ili reflektirajućih traka) b, i širina neprozirnih prostora (ili traka koje raspršuju svjetlost) a, zatim vrijednost d=b+a pozvao konstanta (period) difrakcione rešetke(Sl. 5).

Prema Huygens-Fresnelovom principu, svaka prozirna praznina (ili prorez) je izvor koherentnih sekundarnih valova koji mogu interferirati jedan s drugim. Ako snop paralelnih svetlosnih zraka padne na difrakcionu rešetku okomitu na nju, tada će pod uglom difrakcije φ na ekranu E (slika 5), ​​koji se nalazi u fokalnoj ravni sočiva, sistem difrakcionih maksimuma i minimuma biti uočeno, kao rezultat interferencije svjetlosti iz različitih proreza.

Nađimo uvjet pod kojim se valovi koji dolaze iz proreza međusobno pojačavaju. U tu svrhu, razmotrimo valove koji se šire u smjeru određenom kutom φ (slika 5). Razlika putanja između talasa od ivica susednih proreza jednaka je dužini segmenta DK=d∙sinφ. Ako ovaj segment sadrži cijeli broj valnih dužina, tada će se valovi iz svih proreza, zbrajajući, međusobno pojačavati.

Major Highs tokom difrakcije na rešetki se posmatraju pod uglom φ, koji zadovoljava uslov d∙sinφ=mλ, Gdje m=0,1,2,3… naziva se redom glavnog maksimuma. Magnituda δ=DK=d∙sinφ je razlika optičkog puta između sličnih zraka B.M. I DN, koji dolazi iz susjednih pukotina.

Major lows na difrakcijskoj rešetki se uočavaju pri takvim uglovima difrakcije φ za koje se svjetlost iz različitih dijelova svakog proreza potpuno gasi kao rezultat interferencije. Uslov glavnih maksimuma poklapa se sa uslovom slabljenja na jednom prorezu d∙sinφ=nλ (n=1,2,3…).

Difrakciona rešetka je jedan od najjednostavnijih, prilično preciznih uređaja za mjerenje valnih dužina. Ako je period rešetke poznat, tada se određivanje valne dužine svodi na mjerenje ugla φ koji odgovara smjeru do maksimuma.

Za promatranje pojava uzrokovanih talasnom prirodom svjetlosti, posebno difrakcije, potrebno je koristiti zračenje koje je visoko koherentno i monohromatsko, tj. lasersko zračenje. Laser je izvor ravnih elektromagnetnih talasa.

Difrakcija dvostrukog proreza

Difrakcija- pojava koja se javlja kada se talasi šire (na primer, svetlosni i zvučni talasi). Suština ovog fenomena je da je val u stanju da se savije oko prepreka. To rezultira promatranjem valnog kretanja u području iza prepreke do koje val ne može doći direktno. Fenomen se objašnjava interferencijom talasa na ivicama neprozirnih objekata ili nehomogenostima između različitih medija duž putanje širenja talasa. Primjer bi bila pojava obojenih svjetlosnih pruga u području sjene sa ruba neprozirnog ekrana.

Difrakcija se dobro manifestira kada je veličina prepreke na putu vala uporediva s njegovom dužinom ili manja.

Akustična difrakcija- odstupanje od pravolinijskog širenja zvučnih talasa.

1. Difrakcija proreza

Šema formiranja oblasti svetlosti i senke tokom difrakcije na prorezu

U slučaju kada val padne na ekran sa prorezom, on prodire zbog difrakcije, ali se uočava odstupanje od pravolinijskog prostiranja zraka. Interferencija valova iza ekrana dovodi do pojave tamnih i svijetlih područja, čija lokacija ovisi o smjeru u kojem se promatra, udaljenosti od ekrana itd.

2. Difrakcija u prirodi i tehnologiji

Difrakcija zvučnih valova često se uočava u svakodnevnom životu dok čujemo zvukove koji do nas dopiru iza prepreka. Lako je uočiti kako valovi na vodi obilaze male prepreke.

Naučne i tehničke upotrebe fenomena difrakcije su različite. Difrakcijske rešetke se koriste za podjelu svjetlosti u spektar i za stvaranje ogledala (na primjer, za poluvodičke lasere). Difrakcija rendgenskih zraka, elektrona i neutrona koristi se za proučavanje strukture kristalnih čvrstih tijela.

Vrijeme difrakcije nameće ograničenja na rezoluciju optičkih instrumenata, kao što su mikroskopi. Objekti čije su dimenzije manje od valne dužine vidljive svjetlosti (400-760 nm) ne mogu se vidjeti optičkim mikroskopom. Slično ograničenje važi i za metodu litografije, koja se široko koristi u industriji poluprovodnika za proizvodnju integrisanih kola. Stoga je neophodno koristiti izvore svjetlosti u ultraljubičastom području spektra.

3. Difrakcija svjetlosti

Fenomen difrakcije svjetlosti jasno potvrđuje teoriju o korpuskularno-valnoj prirodi svjetlosti.

Teško je uočiti difrakciju svjetlosti, jer valovi odstupaju od interferencije pod uočljivim uglovima samo pod uslovom da je veličina prepreka približno jednaka talasnoj dužini svetlosti, a veoma je mala.

Po prvi put, otkrivši interferenciju, Young je izveo eksperiment o difrakciji svjetlosti, uz pomoć kojeg su proučavane valne duljine koje odgovaraju svjetlosnim zracima različitih boja. Proučavanje difrakcije završeno je u radovima O. Fresnela, koji je konstruirao teoriju difrakcije, koja u principu omogućava izračunavanje difrakcionog uzorka koji nastaje kao rezultat savijanja svjetlosti oko bilo koje prepreke. Fresnel je postigao takav uspjeh kombinirajući Huygensov princip sa idejom interferencije sekundarnih valova. Huygens-Fresnel princip je formuliran na sljedeći način: difrakcija nastaje zbog interferencije sekundarnih valova.

Zapuhao je lagani povjetarac, a talasi (val male dužine i amplitude) su trčali po površini vode, nailazeći na razne prepreke na svom putu, iznad površine vode, stabljika biljaka, grana drveća. Na zavjetrinoj strani iza grane voda je mirna, nema smetnji, a talas se savija oko stabljika biljke.

DIFRAKCIJA TALASA (od lat. difractus– slomljeni) valovi koji se savijaju oko raznih prepreka. Difrakcija talasa je karakteristična za bilo koje talasno kretanje; nastaje ako su dimenzije prepreke manje od valne dužine ili uporedive s njom.

Difrakcija svjetlosti je fenomen odstupanja svjetlosti od pravolinijskog smjera širenja pri prolasku u blizini prepreka. Tokom difrakcije, svjetlosni valovi se savijaju oko granica neprozirnih tijela i mogu prodrijeti u područje geometrijske sjene.
Prepreka može biti rupa, jaz ili rub neprozirne barijere.

Difrakcija svjetlosti se očituje u činjenici da svjetlost prodire u područje geometrijske sjene kršeći zakon pravolinijskog širenja svjetlosti. Na primjer, prolazeći svjetlost kroz malu okruglu rupu, nalazimo veću svijetlu tačku na ekranu nego što bi se očekivalo s linearnim širenjem.

Zbog kratke talasne dužine svetlosti, ugao otklona svetlosti od pravca pravolinijskog širenja je mali. Stoga, da bi se jasno uočila difrakcija, potrebno je koristiti vrlo male prepreke ili postaviti ekran daleko od prepreka.

Difrakcija se objašnjava na osnovu Huygens–Fresnelovog principa: svaka tačka na frontu talasa je izvor sekundarnih talasa. Difrakcijski uzorak je rezultat interferencije sekundarnih svjetlosnih valova.

Talasi formirani u tačkama A i B su koherentni. Šta se vidi na ekranu u tačkama O, M, N?

Difrakcija se jasno uočava samo na udaljenostima

gdje je R karakteristične dimenzije prepreke. Na manjim udaljenostima vrijede zakoni geometrijske optike.

Fenomen difrakcije nameće ograničenje na rezoluciju optičkih instrumenata (na primjer, teleskopa). Kao rezultat toga, u fokalnoj ravnini teleskopa formira se složeni difrakcijski uzorak.

Difrakciona rešetka – je skup velikog broja uskih, paralelnih, bliskih jedna drugoj prozirnih do svjetlosnih područja (proreza) smještenih u istoj ravni, razdvojenih neprozirnim prostorima.

Difrakcijske rešetke mogu biti reflektirajuće ili propuštajuće svjetlo. Princip njihovog rada je isti. Rešetka se izrađuje pomoću mašine za podelu koja pravi periodične paralelne poteze na staklenoj ili metalnoj ploči. Dobra difrakciona rešetka sadrži do 100.000 linija. Označimo:

a– širina proreza (ili reflektirajućih traka) providnih za svjetlost;
b– širina neprozirnih prostora (ili područja raspršivanja svjetlosti).
Magnituda d = a + b se naziva period (ili konstanta) difrakcione rešetke.

Difrakcijski uzorak koji stvara rešetka je složen. Pokazuje glavne maksimume i minimume, sekundarne maksimume i dodatne minimume zbog difrakcije na prorezu.
Glavni maksimumi, koji su uske svijetle linije u spektru, su od praktične važnosti pri proučavanju spektra pomoću difrakcijske rešetke. Ako bijela svjetlost padne na difrakcijsku rešetku, valovi svake boje uključene u njen sastav formiraju vlastite difrakcijske maksimume. Položaj maksimuma zavisi od talasne dužine. Zero highs (k = 0 ) za sve talasne dužine formiraju se u pravcima upadnog snopa (β = 0 ), stoga postoji centralna svijetla traka u spektru difrakcije. Lijevo i desno od njega uočavaju se maksimumi difrakcije boja različitog reda. Pošto je ugao difrakcije proporcionalan talasnoj dužini, crveni zraci se odbijaju više od ljubičastih zraka. Obratite pažnju na razliku u redoslijedu boja u difrakcijskom i prizmatičnom spektru. Zahvaljujući tome, difrakciona rešetka se koristi kao spektralni aparat, zajedno sa prizmom.

Prilikom prolaska kroz difrakcionu rešetku, svjetlosni val dužine λ ekran će dati niz minimuma i maksimuma intenziteta. Maksimumi intenziteta će se posmatrati pod uglom β:

gdje je k cijeli broj koji se naziva red difrakcionog maksimuma.

Osnovni sažetak: