Ведение. Дифракция как проявление волновой природы света

Ю. Д. Воробьёв

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

ДИФРАКЦИЯ

Учебное пособие

Рекомендовано научно-методическим советом

морского государственного университета

в качестве учебного пособия для курсантов и студентов

всех специальностей

Владивосток

УДК 53 (075.8)

Воробьёв Ю. Д.Волновая оптика. Дифракция [Текст] : учеб. пособие / Ю. Д. Воробьёв. – Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2010. – 149 с.

Учебное пособие написано в соответствии с действующей программой курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.

Пособие состоит двух частей и раздела включающего пять приложении. В первой части дано краткое изложение теории дифракции в рамках волновой теории света.

Во второй части приведены описания одиннадцати лабораторных работ по дифракции света. Лабораторные работы охватывают основные темы по дифракции излучения как естественных, так и лазерных источников света: дифракцию Френеля и дифракцию Фраунгофера на различных препятствиях. Часть работ выполняются с использованием элементов автоматизации эксперимента и компьютерной обработки изображения дифракционных картин.

В раздел приложений включены описания, инструкции по эксплуатации и техники безопасности учебных лабораторных комплексов ЛКО-1, МУК-О, АРМС-7 и используемых измерительных приборов.

Рецензент

В. Э. Осуховский, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой физики и ОТД филиала ВУНЦ ВМФ «ВМА»

© Воробьев Ю. Д., 2010

© Морской государственный университет

им. адм. Г. И. Невельского, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Краткая теория.. 5

Ведение. Дифракция как проявление волновой природы света. 5

1. Принципы Гюйгенса и Гюйгенса Френеля. 5

2. Дифракционный интеграл Френеля. 8

3. Метод зон Френеля. 10

4. Векторные диаграммы Спираль Френеля. 13

5. Расчёт радиуса зон Френеля. 14

6. Зонные пластинки - фазовые и амплитудные. 16

7. Ближняя и дальняя зоны дифракции. 17

8. Дифракция Френеля. 22

9. Дифракция Фраунгофера. 25

10. Дифракция Фраунгофера на щели. 26

11. Дифракции Фраунгофера на нескольких щелях. 31

12. Наклонное падение лучей на дифракционную решетку. 37

13. Дифракция на двумерной решетке. 39

14. Дифракционная решетка как спектральный прибор. 41

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.. 48

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. 3(а). ДИФРАКЦИЯ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО СВЕТА НА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЁТКЕ. 48

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. 3(б). ДИФРАКЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЁТКЕ. 52

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. 3К. ДИФРАКЦИЯ БЕЛОГО СВЕТА НА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ. 55

4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.14Г. ДИФРАКЦИЯ ФРЕНЕЛЯ И ДИФРАКЦИЯ ФРАУНОФЕРА.. 60

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.32. ДИФРАКЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 64

6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.32К. ДИФРАКЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 68

7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.41 ДИФРАКЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 73

8. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.42 ДИФРАКЦИЯ ФРЕНЕЛЯ НА КРУГЛОМ ОТВЕРСТИИ.. 78

9. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.43 ДИФРАКЦИЯ ФРАУНГОФЕРА НА ПРЯМОУГОЛЬНОМ ОТВЕРСТИИ.. 84

10. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 44 ДИФРАКЦИЯ ФРАУНГОФЕРА НА КРУГЛОМ ОТВЕРСТИИ.. 89

11. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.45 ДИФРАКЦИЯ ФРАУНГОФЕРА НА ЩЕЛИ 92

Контрольные вопросы по теме «Дифракция света». 95

ЛИТЕРАТУРА.. 96

Приложение 1. ЗЕРКАЛЬНЫЙ МОНОХРОМАТОР SPM-2. 97

Приложение 2. Гониометр ГС-5. 102

Приложение 3. Краткое описание модульного лабораторного учебного комплекса МУК-О (по оптике) 106

Приложение 4. Автоматизиванное рабочее место студента АРМС-7. 110

Приложение 5. Модульный учебный комплекс ЛКО-1. 119

Приложение 6. Функция Бесселя. 146

Краткая теория

Ведение. Дифракция как проявление волновой природы света

Понятие "дифракция" в оптике связывается с нарушением прямолинейности распространения света. В широком смысле слова дифракцию определяют как любое отклонение распространения света от прямолинейного, не связанное с отражением или преломлением. В более узком смысле дифракцией называют явление огибания волной препятствия.

Такие явления хорошо известны для длинных волн, например звуковых волн или волн на поверхности воды. В оптике этому соответствует проникновение света в область геометрической тени. В теории волн под дифракцией понимают всю совокупность явлений в волновом поле, возникающих при наличии препятствий распространению волн. Наконец, используя понятие интерференции света, можно сказать, что дифракция — это интерференция в ограниченных световых пучках, т.е. между интерференцией и дифракцией нет принципиального различия. При интерференции мы складываем несколько волн, при дифракции - бесконечное множество.

Принципиальное значение дифракции состоит в том, что она, как и интерференция, доказывает волновую природу света. Фундаментальный смысл дифракции состоит в том, что она ограничивает возможности концентрации света в пространстве, кладёт предел разрешающей способности оптических и спектральных приборов, влияет на формирование оптического изображения и т. п.

Первое сообщение о наблюдении дифракции света было сделано Гримальди. Он установил, что переход от света к тени происходит постепенно, а не резко. Этот результат не мог найти удовлетворительного объяснения в рамках корпускулярной теории света, которой в то время придерживались и согласно которой свет должен распространяться прямолинейно, а изображение отверстия в плоскости наблюдения должно иметь резкую границу.