Физика_Семестр3_Лабы / 02 Дифракция света 3.05-3.08 / Дифракция света

1

Д И Ф Р А К Ц И Я С В Е Т А

Наряду с интерференцией другим примером общего для всех волновых процессов явления может служить дифракция.

Дифракцией называют совокупность явлений, наблюдаемых при распространении волн в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонением от законов геометрической оптики.

Дифракция, в частности, приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению в область геометрической тени.

Характерной особенностью дифракционных явлений в оптике оказывается то, что здесь, как правило, длина волны света должна быть сравнима с размерами преград на пути световых волн. Проявление дифракции состоит в том, что распределение освещенности отличается от простой картины, предсказываемой геометрической оптикой на основе прямолинейного распространения света.

Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции когерентных волн. По историческим причинам 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 принято называть дифракцией. Различают два вида дифракции. Если источник света и точка наблюдения расположены настолько далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку наблюдения, образуют практически параллельные пучки, то в этом случае говорят о дифракции Фраунгофера. В противном случае говорят о дифракции Френеля.

Строгий расчет дифракционной картины представляет собой очень сложную математическую задачу. Но в некоторых практически важных случаях достаточно хорошее приближение дает упрощенный подход, основанный на использовании

принципа Гюйгенса Френеля.

Этот принцип можно выразить в виде следующего ряда положений:

при расчете амплитуды световых колебаний, возбуждаемых источником S0 в произвольной точке М, источник S0 можно заменить эквивалентной ему системой вторичных источников малых участков ds любой вспомогательной замкнутой поверхности S, проведенной так, чтобы она охватывала источник S0 и н е охватывала рассматриваемую точку М;вторичные источники будут когерен-

тны S0 и между собой, поэтому возбуждаемые ими вторичные волны интерферируют при наложении; расчет интерферен-

2

ции будет наиболее прост, если S волновая поверхность для источника света S0, так как при этом фазы колебаний всех вторичных волн одинаковы;

амплитуда dA колебаний, возбуждаемых в точке М вторичным источником, пропорциональна отношению площади ds соответствующего участка волновой поверхности S к расстоянию r от него до точки М и зависит от угла между нормалью к волновой поверхности n и направлением от элемента ds в точку М;

не излучают назад);

если часть поверхности S занята непрозрачными экранами, то соответствующие (закрытые экранами) вторичные источники не излучают, а остальные излучают также, как и в отсутствие экранов.

Распределение интенсивности света в дифракционной картине производится на основе принципа Гюйгенса - Френеля посредством зон Френеля. Для выяснения действия световой волны, распространяющейся от источника света S, в точке О рассматривается волновая поверхность S (поверхность фронта сферической волны, идущей от точки S) и действие источника света S заменяется действием вспомогательных источников, расположенных на поверхности S . Поверхность S разбивается на кольцевые зоны Френеля таким образом, чтобы расстояния от границ зоны до точки О отличались на /2 (рис.2) то есть чтобы М1О М0О = М2О М1О = М3О М2О = … = /2.

3

Если расстояние от волновой поверхности до точки О равно r0 , то для построения зон проводятся сферы радиусом

c центром в точке О, причем пересечение этих сфер с волновой поверхностью S определяет границы зон Френеля, выделяемых на этой поверхности.

Радиус k той зоны Френеля k определяется из условия:

Таким образом, поверхность фронта волны разбивается на равновеликие зоны Френеля.

Окончательный результат получается сложением действий каждой зоны Френеля в точке О, причем учитывается, что:

действия соседних зон ослабляют друг друга, так как эти зоны посылают колебания в точку О в противоположных фазах;

действие зоны уменьшается с увеличением угла между нормалью к поверхности

зоны и направлением на точку О.

Поэтому амплитуды колебаний A1, A2 , A3,..., создаваемые центральной

Из рассмотрения следует, что хотя свет от каждой точки фронта волновой поверхности S идет во все стороны, но вследствие интерференции в точку О свет идет как бы внутри узкого канала, диаметр которого меньше радиуса первой зоны Френеля, то есть можно считать, что свет от точки S в точку О распространяется прямолинейно.