Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра физики

Лабораторная работа

№ 2.17

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ

ФРАУНГОФЕРА

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Минск 2000

ЯВЛЕНИЕ ДИФРАКЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

Слово "дифракция" произошло от латинского слова "diffractus", которое означает разломанный, преломленный. Первоначально дифракцию понимали в узком смысле как огибание волнами препятствий. В современном более широком смысле под дифракцией понимают любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении сигналов в виде волн. В качестве определения дифракции света можно дать следующее: дифракцией называют совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями, проявляющихся в перераспределении светового потока в пространстве в результате суперпозиции волн.

Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибая препятствия, стелиться вдоль поверхностей, проникать через небольшие отверстия в экранах и т.п. Например, звук может быть услышан за углом дома или радиоволна может проникнуть за горизонт без отражения от ионосферы.

Наиболее отчетливо дифракция проявляется при ~ (-характерный размер препятствия; - длина волны). Например, дифракция волн на воде (~1 м) или звука в воздухе (~1см) может наблюдаться практически всегда, дифракция света (~10^-4-10^-5 см) требует особых условий (игольчатое отверстие, острый край бритвы, тонкая проволока и т.п.), а для дифракции рентгеновских лучей (~10^-7 – 10^-9 см) приходится использовать кристаллы.

Следует отметить, что дифракционные явления возникают не только на резких границах, но и в протяженных системах (так называемая объемная дифракция). В частности, объемная дифракция происходит при дифракции света на ультразвуке в голограммах, в турбулентной среде и нелинейных оптических системах.

Явления дифракции имеют место и в микромире, поскольку объекты квантовой механики (электроны, нейтроны, атомы и другие микрочастицы) обладают волновыми свойствами,

Приближенный метод решения задач о распространении волн, особенно световых, дает принцип Гюйгенса. Его суть состоит в том, что каждый элемент поверхности, которой достигла в данный момент времени волна, является источником вторичных сферических волн, огибающая которых будет волновой поверхностью в следующий момент времени. Принцип Гюйгенса объясняет распространение волн, согласующееся с законами геометрической оптики, искривление лучей в среде с изменяющимися показателями преломления, явления на границе раздела двух сред и т.п.

Французский физик Френель дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности элементарных вторичных волн, что позволило рассмотреть на основе принципа Гюйгенса-Френеля многие дифракционные явления. Этот принцип является основным постулатом волновой теории света. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, волновое возмущение в любой точке можно рассматривать как результат интерференции элементарных вторичных волн, излучаемых каждым элементом некоторой волновой поверхности, амплитуда которых пропорциональна величине этого элемента.

Решение простейших дифракционных задач, например, нахождение распределения интенсивности света в пространстве, значительно упрощается с применением метода зон Френеля.

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, действие источника света можно заменить действием воображаемых источников, расположенных на поверхности, в качестве которой выбирается фронт волны, идущей от источника. Фронт волны разбивается на зоны, равные по площади, так, чтобы расстояния от краев соседних зон до точки наблюдения отличались на . Тогда колебания, приходящие в точку наблюдения от аналогичных участков этих зон, будут иметь разность хода, т.е. придут в точку наблюдения в противоположных фазах: .

Амплитуда колебания, возбужденного зоной Френеля в точке наблюдения, зависит в общем случае от площади зоны, расстояния от зоны до точки наблюдения и угла между нормалью к поверхности зоны и направлением к точке наблюдения.

Явления дифракции нашли широкое практическое применение. Дифракция света на периодических структурах (дифракционных решетках) лежит в основе устройства спектральных приборов, позволяющих определить длину волны излучения. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах, аморфных твердых телах, жидкостях и газах легла в основу рентгеновского анализа и рентгенографии. Дифракция света на ультразвуке применяется в устройствах акустооптики для модуляции и отклонения света, при акустооптической обработке СВЧ сигналов и др. Дифракция микрочастиц, сыгравшая большую роль в установлении двойственной природы материи, стала одним из основных методов изучения структуры вещества, лежит в основе электронографии и нейтронографии.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТАЙ 2.17