2. Интерференция многих волн (многолучевая интерференция)

Так как дифракция – это интерференция большого числа вторичных волн, рассмотрим многолучевую интерференцию.

Для нахождения амплитуды A результирующих колебаний и интенсивности света () в произвольной точкеP интерференционной картины воспользуемся методом векторных диаграмм для сложения одинаково направленных колебаний.

В этом методе каждое колебание с амплитудой A₁ изображается векто­ром длиной A₁, а сдвиг фаз  между данным колебанием и другим изобра­жается углом  между векторами, соот­ветствующими данным колебаниям. Сумма этих векторов представляет со­бой вектор, соответствующий резуль­тирующему колебанию.

На рисунке 4 показана векторная диаграмма сложения колебаний при интерференцииN волн, возбуж­дающих в рассматриваемой точке P одинаково направленные когерентные колебания с амплитудами и не завися­щим отi сдвигом фаз между (i+1)-м и i-м колебаниями .

Векторная диаграмма представляет собой правильную ломаную линию, вокруг которой можно описать окружность радиусом ОО₁ с центром в точке О₁.

Из рисунка видно, что амплитуда результирующих колебаний равна:

₍₃₎

Поэтому для амплитуды и интенсивности можно записать выражения:

(4)

где- интенсивность света в точкеP, создаваемая каждой из N интерферирующих волн порознь.

Главные максимумы интерференции N волн находятся в точках P, удовлетворяющих условию: , гдеm=0,1,2,… - порядок главного максимума.

При этом условии в формулах (4) возникает неопределенность 0/0. Однако, на основании правила Лопиталя можно показать, что отношение синусов в данных формулах в этом случае равно N. Поэтому амплитуда и интенсивность колебаний в главных максимумах:

Интерференционные минимумы (A=0) удовлетворяют условию: , гдеp принимает любые положительные значения, кроме кратных N. При этом условии в формулах (4) равен нулю только числитель (но не знаменатель).

Характер зависимости I/I₁ от показан на рис.5. Между каж­дой парой соседних интерференци­онных минимумов находится один максимум – либо главный, либопобочный. При больших N интен­сивности побочных максимумов пренебрежимо малы по сравнению с интенсивностью главных максимумов. Двум минимумам, ограничивающим главный максимум n-го порядка, соответствуют значения . Поэтому «ширина» главного максимума, равная4/N, обратно пропорциональна числу N интерферирующих волн, а его интенсивность пропорциональна N ².

3. Дифракция Фраунгофера на щели

Пусть параллельный пучок монохроматического света с длиной волны  падает нормально на непрозрачный экран E (Рисунок 6), в котором прорезана щель BM, имеющая постоянную ширину и длину. В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля точки щели являются вторичными источниками когерентных волн, колеблющимися в одной фазе, так как плоскость щели совпадает с фронтом падающей плоской волны.

Рис. 6

Все параллельные лучи, идущие от щели под углом дифракции  к направлению лучей падающего света, собираются линзой Л в побочном фокусе P_, лежащем в фокальной плоскости линзы Э. Оптическая разность хода между волнами, исходящими из точек B и M (края щели), равна

(5)

где F – основание перпендикуляра, опущенного от точки M на луч BD. При этом разность фаз () между этими же волнами:

(6)

Для решения задачи о дифракции Фраунгофера щель разбивается на очень большое число N одинаковых, очень узких полосок. Вторичные волны, излучаемые этими полосками, возбуждают в точке P_ экрана колебания с одинаковыми амплитудами A₁, которые сдвинуты по фазе относительно колебания, излучаемом соседней полоской, на одну и ту же малую величину ₀, зависящую от угла дифракции . Таким образом, на экране имеет место интерференция многих волн (многолучевая интерференция). Разность фаз между этими колебаниями будет равна . Подставляя₀ в (1) и (2) с учетом того, что ₀ мало и , получаем:

(7)

гдеA₀=A₁N – алгебраическая сумма амплитуд колебаний, создаваемых всеми элементами щели, которая прямо пропорциональна b, - интенсивность в центре дифракционной картины (=0), создаваемая всей щелью. Вид дифракционной картины представлен на Рисунке 5.

Формулы (7) содержат функцию типа sin(x)/x. Минимумы данной функции реализуются при условии sin(x)=0, при этом x0. Следовательно, положение минимумов можно получить из условия x=k, где k=1,2,3…. Положения максимумов данной функции можно найти из условия равенства нулю первой производной данной функции по x, т.е.sin(x)/x=0, откуда следует равенство tg(x)=x. При х0 функция sin(x)/x. принимает наибольшее значение, равное 1, что соответствует центральному максимуму, по обе стороны от которого расположены меньшие по величине вторичные максимумы.

С учетом вышесказанного, условие дифракционных минимумов будет следующим:

(8)

где k = 1,2,3,… - порядок дифракционных минимумов.

Условия для дифракционных максимумов имеет вид: ,

где _m – угол дифракции для максимума m-го порядка, m=0,1,2,3,…. Для центрального максимума нулевого порядка (m=0) имеем . При этом амплитуда и интенсивность света равныA₀ и I₀. Для последующих максимумов (m>>1) приближенно можно считать, что , т.е.

(9)

Соотношение максимумов m-го и нулевого порядков равно:

(10)

Это отношение быстро спадает с ростом m. При этом в центральном максимуме сосредоточено  90% светового потока, проходящего через щель.

Дифракцию Фраунгофера можно наблюдать и без собирающей линзы, если расстояние l от щели до экрана велико . В этом случае лучи, идущие от всех участков щели в любую точку экрана практически параллельны.

Если на щель падает не монохроматический, а белый свет, то центральный максимум – белый с радужной окраской по краям. Все остальные интерференционные полосы – цветные, так как минимумам и максимумам одних и тех же порядков m соответствуют, в зависимости от длины волны , разные углы  и разные точки P_ на экране.

По мере уменьшения ширины b щели ширина центрального максимума увеличивается: возрастают углы , которые соответствуют минимумам первого порядка, ограничивающим центральный максимум. Приb  освещенность экрана монотонно уменьшается от середины (точка P₀) к краям. Если щель очень широка (b>>), то на экране наблюдается яркое и четкое изображение источника света, образуемое линзой Л по законам геометрической оптики.