2. Дифракция

2.1. Явление дифракции света. Условия ее наблюдения. Принцип Гюйгенса – Френеля

В геометрической оптике широко пользуются понятием светового луча, т.е. узкого пучка света, распространяющегося прямолинейно. Границы тени на эк­ране за непрозрачным препятствием определяются лучами света, ко­торые проходят мимо препятствия, касаясь краев его поверхности.

В то же время прямолинейность распространения света не столь очевидна с позиций волновой теории Гюйгенса. Иначе говоря, волны должны огибать препятствия. Это происходит при освещении небольших непрозрачных препятствий или при прохождении света сквозь достаточно узкие щели и отверстия. В этом случае на экране, установленном позади препятствий или от­верстий, вместо четко разграниченных областей света и тени на­блюдается система максимумов и минимумов осве­щенности.

Все явления, связанные с огибанием световыми волнами пре­пятствий и проникновением света в область геометрической тени, носят название дифракции света.Слово дифракция происходит от латинского словаdiffractus преломленный.

В более широком смысле дифракцией называют совокупность яв­лений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонениями его распространения от законов геометрической оптики.

Дифракционные явления присущи всем волновым процессам, но особенно отчетливо проявляются лишь в тех случаях, когда длины волн излучений сопоставимы с размерами препятствий. Так, звуко­вые волны хорошо слышны за углом дома, т.е. звуковая волна его огибает. Для наблюдения же дифракции световых волн необходимо создание специальных условий. Это обусловлено малостью длин све­товых волн (λ<1мкм).

Как объяснить огибание световыми волнами препятствий и появление системы максимумов и минимумов осве­щенности вместо размытого изображения препятствия на экране? По принципу Гюйгенса каждая точка волновой поверхности является источником вторичных волн, распространяющихся вперед по всем направлениям, в том числе и в область геометрической тени препятствия. По идее Френеля появление максимумов и минимумов интенсивности является ре­зультатом интерференции лучей от большого числа вторичных (когерентных) источ­ников (принципа Гюйгенса –Френеля).

Более подробно сущность принципа Гюйгенса –Френеля можно изложить так. Всю волновую поверхность S,возбуждаемую каким-либо источникомS₀ ,можно разбить на малые участки с равными площа­дямиS ,которые являются системой вторичных источников, даю­щих вторичные волны. Эти участки волновой поверхности конечных размеров, играющие роль самостоятельных вторичных источников, получили название зон Френеля. Поэтому, поставив на пути волн непрозрачную преграду с малым отверстием, получим в отверстии фиктивный источник, излучающий вторичную волну, распространяющуюся также и в область геометрической тени. Вторичные источники когерентны между собой и могут интерферировать. Мощности излучения всех вторичных источников участков волновой поверхности с одинаковыми площадями -одинаковы. Каждый вторичный источник (с площадью S)излучает пре­имущественно в направлении внешней нормали к волновой поверх­ности в этой точке. Амплитуда вторичных волн уменьшается с увеличением углаαмежду направлением на интересующую нас точку и нормалью кS . Амплитударавна нулю приα = π/2. Чем больше расстояние от вторичного источника до точки (в которой наблюдают результат дифракции), тем меньше амплитуда.

Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет найти амплитуду результирующей волны в лю­бой точке пространства.