Дифракція світла

Дифракцією Фраунгофера називається дифракція в паралельних променях, дифракція від плоского фронту хвилі (тобто джерело випромінювання знаходиться або на нескінченності, або у фокусі збиральної лінзи).

Нехай паралельний пучок монохроматичного світла падає нормально на непрозорий екран Е (рис.14), в якому прорізано вузьку щілину ВС, що має сталу ширину b = ВС і довжину l » b. За принципом Гюйгенса – Френеля точки щілини є вторинними джерелами хвиль, які коливаються в одній фазі, оскільки площина щілини збігається з фронтом падаючої хвилі. Якби під час проходження світла крізь щілину виконувався закон прямолінійного поширення світла, то екран Е´, розташованому у фокальній площині лінзи Л, отримали б зображення джерела світла. Внаслідок дифракції на вузькій щілині картина докорінно змінюється: на екрані спостерігається система інтерференційних максимумів – розмитих зображень джерела світла, відокремлених темними проміжками інтерференційних мінімумів.

Рис.14

У побічному фокусі лінзи Fφ збираються всі паралельні промені, які падають на лінзу під кутом φ до її оптичної осі OF0,перпендикулярної до фронту падаючої хвилі. Оптична різниця ходу Δ між крайніми променями СN і BM, які йдуть від щілини в цьому напрямі, буде дорівнювати:

Δ = CD = b sinφ,

де D – основа перпендикуляра, опущеного з точки B на промінь CN.

Вважають, що абсолютний показник заломлення повітря наближено дорівнює одиниці.Щілину ВС можна розбити на зони Френеля, які мають вигляд смуг, паралельних ребру В щілини. Ширина кожної зони дорівнює (λ/2)sinφ, тому оптична різниця ходу променів, проведених з країв зони паралельно ВМ, дорівнює λ/2. Усі зони в заданому напрямі випромінюють світло цілком однаково. При інтерференції світла від кожної пари сусідніх зон амплітуда результуючих коливань дорівнює нулю, бо ці зони утворюють коливання з однаковими амплітудами, але протилежними фазами. Отже, результат інтерференції світла в точці Fφ визначається тим, скільки зон Френзеля вкладається в щілині. Якщо число зон парне :

b sinφ = ± 2m λ/2, (m = 1,2, …), (27)

то буде дифракційний мінімум (повна темрява). Знак “-“ у формулі (27) відповідає променям світла, які поширюються від щілини під кутом –φ і збираються в побічному фокусі F-φ лінзи Л, симетричному Fφ відносно головного фокуса F0 .

Якщо число зон непарне:

b sinφ = ± (2m+1) λ/2, (m = 1,2,…), (28)

то буде дифракційний максимум, який відповідає дії однієї зони Френеля. Величину m називають порядком дифракційного максимуму.

У напрямі φ = 0 матиме місце найінтенсивніший центральний максимум нульового порядку: коливання, які спричиняються в точці F0 всіма ділянками щілини, здійснюються в одній фазі. Тому амплітуда результуючого коливання дорівнює алгебраїчній сумі амплітуд коливань, що додаються.

Шириною дифракційного максимуму на екрані Е називають відстань між двома найближчими до нього дифракційними мінімумами. Наприклад, ширина максимуму нульового порядку дорівнює відстані між двома мінімумами першого порядку (рис.15).

Досі весь час припускали, що щілину освітлюють монохроматичним світлом. Положення дифракційних мінімумів і максимумів усіх порядків, починаючи з першого, залежить від довжини хвилі світла λ. Тому при освітленні щілини білим світлом центральний максимум має райдужне забарвлення по краях. Повного гасіння світла не буде в жодній точці екрана, бо максимуми і мінімуми світла з різними λ перекриваються.

4. Дифракційна решітка. Дифракційні спектри.