Экспериментальное исследование дифракции света

Дифракцией называется явление не прямолинейного распространения света,

огибание светом препятствий, размер которых сравним с длиной волны (λ - h). Для

описания дифракции используется принцип Гюйгенса-Френеля, согласно которому

каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, а колебания за

этим фронтом рассматриваются как суперпозиция (интерференция) этих вторичных волн.

Тип дифракции, при котором рассматривается дифракционная картина, образованная

параллельными лучами, получил название дифракции Фраунгофера.

Для света результатом дифракции является нарушение законов геометрической

оптики, чаще всего закона прямолинейного распространения света, при падении его на

препятствия достаточно малых размеров. Препятствия могут быть простыми (щель,

отверстие, край непрозрачного тела) и сложными (наборы щелей или прозрачных и

непрозрачных колец), упорядоченными и неупорядоченными. Наиболее ярким примером

упорядоченного сложного препятствия является дифракционная решетка.

Дифракционной решеткой можно называть любую периодическую или близкую к

периодической систему параллельных штрихов, нанесенных на стеклянные или

металлические пластины. Дифракционная решетка может быть прозрачной

(пропускающей) или отражательной. В первом случае дифракция рассматривается в

прошедшем свете, а во втором в отраженном.

Основными параметрами дифракционной решётки являются её период d

(постоянная решётки) и число штрихов N.

Обычно дифракционная решётка освещается плоской волной (рис. 1), а плоскость

наблюдения практически находится в бесконечности (условия дифракции Фраунгофера).

В этом случае направление, в котором производится наблюдение, определяется углом φ

между нормалью к решётке и направлением лучей.

В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля распределение интенсивности в

дифракционной картине определяется суперпозицией волн, приходящих в точку

наблюдения от различных щелей решётки. При этом амплитуды всех интерферирующих

волн при заданном угле φ практически одинаковы, а фазы составляют арифметическую

прогрессию.

Если плоская монохроматическая волна встречает непрозрачную преграду,

содержащую N параллельных щелей шириной b на одинаковом расстоянии d. друг от

друга (плоскую дифракционную решетку), то на экране наблюдается четкая

дифракционная картина - чередующиеся светлые и темные полосы. В направлениях,

удовлетворяющих условию

dsinϕ m = ±mλ (1)

где += bad - постоянная решетки, а – ширина непрозрачной части (рис.1),

±m = 0, 1, 2, 3, ...- порядок спектра, наблюдаются дифракционные максимумы (спектры).

Между двумя соседними главными максимумами наблюдается N-2 побочных максимума

очень слабой интенсивности. Побочные максимумы обуславливают при низком

3разрешении слабый фон освещенности, на котором проявляются узкие и резкие главные

максимумы. Установка состоит из лазера, направляющей рельсы, рейтеров, набора

дифракционных решёток и экрана для наблюдения дифракционной картины (рис.3)

Излучение лазера падает на дифракционную решетку. Далее излучение попадает на

экран, отстоящий от решетки на расстояние L. На экране возникает ряд дифракционных

пятен, ориентированных в направлении, перпендикулярном направлению щелей решетки,

и убывающих по интенсивности от центра к периферии (рис.4).