Лекция 14 Дифракция света. План лекции:

1. Сущность дифракции. Принцип Гюйгенса-Френеля.

2. Дифракция света на щели в параллельных лучах.

3. Дифракция на множестве щелей. Дифракционная решётка.

4. Дифракция на пространственных структурах. Рентгеноструктурный

анализ.

5. Разрешающая способность оптических приборов. Теория Аббе.

6. Голография.

1. Сущность дифракции. Принцип Гюйгенса-Френеля.

С давних времён было известно, что свет распространяется только прямолинейно, если среда однородна. Вплоть до начала 19 века всё развитие оптики базировалось в основном на представлении о прямолинейно распространяющихся лучах. Однако, начиная ещё с 17 века, были известны факты, указывающие, что в действительности имеет место отступления от прямолинейного распространения света.

В то время было замечено, что с помощью малого отверстия в непрозрачном экране можно получить изображение предмета. Так был создан первый фотоаппарат, в котором вместо собирающей линзы в качестве объектива использовалось малое отверстие. И было замечено, что чем меньше диаметр отверстия, тем выше чёткость изображения, что было вполне логично. Однако было замечено, что чёткость изображения при уменьшении диаметра отверстия растёт до определённого предела, а при дальнейшем уменьшении диаметра отверстия чёткость начинала постепенно снижаться. Такое снижение чёткости изображения от слишком малого отверстия можно было объяснить, предположив, что при малых размерах отверстия лучи за отверстием заметно загибаются. Было также замечено, что при прохождении света через очень узкую щель в непрозрачном экране, за экраном наблюдается чередование тёмных и светлых полос. Данные факты можно объяснить только одним: что в некоторых случаях свет распространяется непрямолинейно.

Что же заставляет свет отклоняться от прямого направления? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, что представляет собой свет. Как было сказано в предыдущих лекциях, свет – это электромагнитные волны с длиной волны от 0,75 мкм (красный) до 0,35 мкм (фиолетовый). А если так, то будем свет рассматривать как волну. А любому волновому процессу присущи свойства, которые характерны только волнам. И одним из этих явлений является дифракция (лат. difractus – изломанный).

Дифракция света – это явление, при котором свет отклоняется от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями.

Дифракция света наблюдается тем лучше, чем ближе размеры неоднородностей к длине световой волны.

В шуточной форме можно сказать, что дифракция – это явление, когда волна лезет туда, где её не ждут.

Первое научное описание этого явления принадлежит Ф. Гримальди, который не только описал размытость тени от предмета, но и цветовую полоску в области размытости. Он же впервые назвал это явление дифракцией.

Первым дифракцию света попытался объяснить известный голландский учёный Х.Гюйгенс. Его идеи дополнил французский учёный О.Френель и с тех пор данный научный вывод получил название принципа Гюйгенса-Френеля.

Согласно этого принципа, каждая точка волновой поверхности сама является источником вторичных волн, огибающая которых является новой волновой поверхностью для следующего момента времени. (Гюйгенс).

Все точки волновой поверхности являются когерентными источниками вторичных волн. Фронт волны – результат интерференции вторичных волн (Френель).

Для того, чтобы лучше представить себе явление дифракции, рассмотрим наглядный пример с волнами на поверхности воды. Представим себе, что на поверхности какой-нибудь лужи ветер гонит мелкие волны. На пути этих волн лежит большой камень, размеры которого значительно превышают длину волны.

Позади этого камня волн нет, там, так называемая «теневая зона», а волна от камня при этом отражается. Рассматривая этот случай, мы не видим ничего странного: камень волну не пропускает, за камнем волн нет и волна при этом от камня отражается. Всё укладывается в наши привычные представления.

А теперь представим себе, что волна встречает на своём пути препятствие, размеры которого меньше длины волны, например, воткнутую в дно лужи палочку. Казалось бы, волна должна и от такого препятствия отразиться и позади его должна остаться теневая зона, как подсказывает нам логика.

Однако к нашему удивлению наблюдается другая картина: волна от палочки не отражается и за палочкой теневая зона не образуется. Волна как бы не обращает внимания на палочку. Вот в этом то опыте и проявляется явление дифракции. Волна огибает препятствие, размеры которого меньше длины волны.

Рассмотрим ещё один случай. Представим себе, что на пути волны стоят две доски и между ними зазор, значительно превышающий длину волны.

Волна после прохождения через этот широкий зазор, распространяется дальше широким пучком, ширина которого равна ширине зазора между досками. Всё укладывается в рамки наших житейских представлений.

А теперь представим, что волна на своём пути встречает зазор, размер которого меньше длины волны (щель).

Пройдя щель, волна распространяется не узким пучком, как нам подсказывает житейский опыт, а кругами. Такое впечатление, что щель при этом является точечным источником волн. Волна отклоняется от первоначального направления и заходит в зону предполагаемой тени. На первый взгляд, волна ведёт себя странно. Но на самом деле здесь ничего странного нет. Это один из случаев проявления дифракции волн.