3. Дифракция света

3.1. Явление дифракции

Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении волн в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики. Дифракция – характерная особенность распространения волн независимо от их природы. Именно дифракция звуковых волн объясняет возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома.

Рис. 3.1

Мы ежедневно сталкиваемся с дифракцией радиоволн, слушая радиопередачи и пользуясь сотовым телефоном. Дифракция приводит к огибанию электромагнитными волнами препятствий и проникновению их в область геометрической тени. Из-за дифракции тень от препятствия с прямым краем не бывает идеально резкой: при освещении непрозрачных экранов источником света на границе тени, где, согласно законам геометрической оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдаются чередующиеся светлые и темные дифракционные полосы (рис. 3.1). Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие, например, диск, шарик, круглое отверстие в непрозрачном экране, то на экране, расположенном на большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина в виде чередующихся светлых и темных колец.

Дифракция волн существенно зависит от соотношения между длиной волны и размером объекта, вызывающего дифракцию.

Рис. 3.2

Наиболее отчетливо дифракция обнаруживается в тех случаях, когда размер огибаемых препятствий соизмерим с длиной волны. Поэтому легко наблюдается дифракция звуковых, сейсмических и радиоволн, для которых длина волны лежит в пределах от нескольких метров до нескольких километров. Значительно труднее наблюдать дифракцию электромагнитных волн оптического диапазона, длины которых лежат в пределах .

Рис. 3.3

Явление дифракции нагляднее всего демонстрируется с помощью волн на поверхности воды. Если размер отверстия или препятствия заметно меньше длины волны, то волна с ним не взаимодействует. Этим обусловлено то, что в шторм волны не проникают в бухту с узким входом. Морские волны длиннее, чем вход в бухту, и не замечают этого входа. Толщина стволов деревьев, стоящих в воде, меньше длины волны, и волны не взаимодействуют с ними (рис. 3.2).

А если размеры препятствия много больше длины волны, то волны за него не проникают, создается область тени: световая тень (рис. 3.3), звуковая тень, ограничения при передаче телевизионного сигнала, невозмущенная поверхность воды за большим валуном (рис. 3.4).

Из-за малости длины волны дифракционные явления в оптике наблюдать сложнее, чем в механике, но их проявления более многообразны и красочны.

Рис. 3.4

Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции волн. Перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным числом дискретных когерентных источников, принято называть интерференцией. Перераспределение интенсивности, возникающее вследствие суперпозиции волн, возбуждаемых когерентными источниками, расположенными непрерывно, называют дифракцией волн.

В строгой постановке дифракционные задачи, ввиду их сложности, допускают аналитические решения лишь в простейших идеализированных случаях. В оптике значительно большее значение имеют приближенные методы решения дифракционных задач, основанные на принципе Гюйгенса в обобщенной формулировке Френеля.