Изучение дифракции фраунгофера

Цель работы: изучение дифракции Фраунгофера в когерентном свете лазера, определение длины световой волны и параметров схем.

Оборудование: источник света – гелий-неоновый лазер, укрепленная на подставке непрозрачная пластина с двумя параллельными прозрачными щелями с расстоянием между ними d = 0,160 мм и шириной щелей а = 0,01–0,03 мм, матовый экран со шкалой, цена деления которого равна 1 мм, оптическая скамья.

Описание метода

Дифракцией называется отклонение световых волн от прямолинейного пути при прохождении вблизи краев экранов, отверстий и других неоднородностей. Дифракция Фраунгофера наблюдается в параллельных лучах, для получения которой используются либо лазеры, либо оптические системы – коллиматоры.

О птическая схема наблюдения дифракции от двух щелей представлена на рис. 1. Параллельный пучок лучей гелий-неонового лазера освещает экран Э₁ с двумя узкими параллельными щелями 1 и 2, расстояние между серединами щелей равно d. На расстоянии l от экрана Э₁ располагается экран Э₂, причем l>>d.

Согласно принципу Гюйгенса–Френеля, каждая точка плоскости щелей, до которой дошла световая волна, становится источником вторичных когерентных волн. В области их наложения на экране Э₂ в одних точках происходит усиление света, а в других ослабление, то есть наблюдается интерференция света. Результирующее распределение интенсивности света на экране Э₂ представляет собой чередование максимумов и минимумов интенсивности света I в зависимости от синуса угла дифракции  (рис. 2). Пунктиром указано положение первичных максимумов и минимумов, полученных при дифракции на одной щели.

Результат наложения вторичных волн, идущих от одной щели под углом , зависит от числа зон Френеля, укладывающихся на ширине щели. Если это число четное, то амплитуда результирующего колебания равна нулю, так как колебания от каждой пары соседних зон взаимно погашают друг друга. Условие первичных минимумов имеет вид:

1, 2, 3, …

где  – угол дифракции, а – ширина щели.

С

0, 1, 2, 3, …

оответственно, если на ширине щели уложится нечетное число зон Френеля, то наблюдается дифракционный максимум, соответствующий действию одной нескомпенсированной зоны Френеля. Условие первичных максимумов будет иметь вид

Н аличие на экране Э₁ двух щелей 1 и 2 подводит к тому, что на дифракционную картину от одной щели накладывается интерференция вторичных волн, идущих от двух щелей. Очевидно, что в тех направлениях, в которых ни одна из щелей не посылает свет, он не будет распространяться и при двух щелях. Следовательно, условие первичных минимумов выполняется при дифракции от двух щелей.

Если на оптической разности хода , d уложится четное число полуволн, то возникают главные максимумы интенсивности:

0, 1, 2, 3, …

Если на оптической разности хода уложится нечетное число полуволн – то наблюдаются дополнительные минимумы интенсивности:

1, 2, 3, …

Почти весь дифрагированный световой поток (~ 90%) сосредоточен в пределах нулевого первичного максимума (рис. 2), заключенного между первичными минимумами (в пределах угла ₁):