Тема 2. Дифракция света. Лекция № 3

3.1. Явление дифракции света и условия ее наблюдения. Принцип Гюйгенса − Френеля.

3.2. Метод зон Френеля.

3.1. Явление дифракции света и условия ее наблюдения. Принцип Гюйгенса − Френеля.

Дифракцией света называется совокупность явлений, которые обусловлены волновой природой света и наблюдаются при его распространении в среде с резко выраженной оптической неоднородностью. В более узком смысле под дифракцией света понимают огибание светом встречных препятствий, т.е. отклонение от законов геометрической оптики. Например, при прохождении через отверстия в экранах, вблизи границ непрозрачных тел и т.д..

Различают два вида дифракции света:

1. дифракция Френеля (дифракция в сходящихся лучах);

2. дифракция Фраунгофера (дифракция в параллельных лучах).

В первом случае на препятствие падает сферическая или плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, находящемся за препятствием на конечном расстоянии от него. При дифракции Френеля на экране получается «дифракционное изображение» препятствия.

Во втором случае на препятствие падает плоская волна, а дифракционная картина наблюдается на экране, который находится в фокальной плоскости собирающей линзы, установленной на пути прошедшего через препятствие света. При дифракции Фраунгофера на экране получается «дифракционное изображение» удаленного источника света.

Решающую роль в утверждении в начале XIX в. волновой теории света и ее дальнейшем развитии, позволившем, в частности, объяснить дифракцию света и дать методы ее количественного расчета, сыграл О. Френель. Ему удалось также показать, что закон прямолинейного распространения света является приближенным. Оказалось, что этот закон, а также и вся геометрическая оптика абсолютно точны лишь в пределе - при длине волны света 0. Х.Гюйгенс сформулировал правило, называемое принципом Гюйгенса (1678), которое позволяет найти положение фронта волны в момент времени t+t, зная его положение в предыдущий момент времени t и скорость волны . Согласно этому принципу, все точки поверхности S(t), через которые проходит фронт волны в момент времени t, следует рассматривать как источники вторичных волн, а искомое положение S(t+t) фронта в момент времени t+t совпадает с поверхностью, огибающей все вторичные волны. При этом считается, что в однородной среде вторичные волны излучаются только вперед, т. е. в направлениях, составляющих острые углы с внешней нормалью к фронту волн. В однородной изотропной среде вторичные волны — сферические (рис.3.1.1).

Я вление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн.

Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн.