8.8. Дифракция френеля на простейших преградах

До изобретения лазеров получение качественных дифракционных картин от простейших преград требовало высокого экспериментального мастерства и являлось уникальным событием [3], на которое впоследствии ссылалось большинство авторов учебников. Первые попытки использования лазеров для этих целей [1, 4] нельзя считать удовлетворительными из-за очень малой освещенности дифракционных картин и крайне неоднородного распределения интенсивности по сечению пучка многомодовых лазеров. Интересные опыты по дифракции в СВЧ_диапазоне [5] не обеспечивают наглядности демонстрации, так как не позволяют визуализировать интегральную дифракционную картину.

Появление одномодовых лазеров существенно облегчило проведение демонстрации по дифракции на простейших преградах. Оптическая схема установки показана на рис. 8.27.

Рис. 8.27. Демонстрационная установка по дифракции.

Излучение He-Ne лазера (длина волны 0.63 мкм, мощность 5 мВт) расширяется линзой и освещает оптические элементы, размещенные на оптической скамье и служащие для получения на экране соответствующих дифракционных картин. С помощью видеокамеры эти картины и, что особенно важно, их динамическая смена при изменении параметров и расположения преград демонстрируются на экране (стене аудитории).

Преграда в виде круглого отверстия высверливается в тонком стальном листе (диаметр отверстия 0,5 мм). При перемещении преграды вдоль оси установки можно наблюдать непрерывную смену френелевских дифракционных картин (рис. 8.28 а-в).

а	б
в	г

Рис. 8.28. Дифракция Френеля на преградах круглой формы: а – в отверстие открыты две зоны Френеля, б) открыты 3 зоны Френеля, в) – открыты четыре зоны Френеля); г – диск (пятно Пуассона)

а	б
в	г
Рис. 8.29. Дифракция Френеля на прямолинейных преградах: а – полуплоскость, б – игла, в,г – полосы разной ширины.

Известно много способов изготовления преград в виде круглого диска. Например, можно напылить слой алюминия на тонкое стекло через маску с хорошим круглым отверстием. В кабинете физики СПбГПУ для этой цели используется зажатый между двумя тонкими стеклами шарик от стержня для шариковой ручки. Дифракционная картина от этой преграды с характерным пятном Пуассона приведена на рис. 8.28г.

Качественные дифракционные картины получаются на краю полуплоскости (ровный край алюминиевой фольги) (рис. 8.29а), на кончике иглы (рис. 8.29б), длинном узком экране (проволочка) (рис. 8.29в, г) и других преградах.

а	б	в
Рис. 8.30. Дифракция на щели: а, б – дифракция Френеля; в – дифракция Фраунгофера.

Для демонстрации дифракции на щели используется входная щель с плавной регулировкой ширины от серийных монохроматоров (рис. 8.30). Здесь наиболее интересным является плавный переход от дифракции Френеля (широкая щель) к дифракции Фраунгофера (узкая щель), подробно рассмотренный в следующем параграфе.