- •Лекция 13.
- •Электромагнитные волны
- •14.7. Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине
- •Интерференция и дифракция света. Голография
- •§ 19.1. Когерентные источники света. Условия для наибольшего усиления и ослабления волн
- •§ 19.2. Интерференция света в тонких пластинках (пленках). Просветление оптики
- •19.3. Интерферометры и их применение. Понятие об интерференционном микроскопе
- •19.4. Принцип Гюйгенса—Френеля
- •19.5. Дифракция на щели в параллельных лучах
- •19.6. Дифракционная решетка. Дифракционный спектр
- •19.7. Основы рентгеноструктурного анализа
- •19.8. Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине
- •Поляризация света
- •20.1. Свет естественный и поляризованный. Закон Малюса
- •20.2. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков
- •20.3. Поляризация света при двойном лучепреломлении
- •20.4. Вращение плоскости поляризации. Поляриметрия
- •20.5. Исследование биологических тканей в поляризованном свете
19.4. Принцип Гюйгенса—Френеля
Объяснение и приближенный расчет дифракции света можно осуществить, используя принцип Гюйгенса—Френеля.
Согласно Гюйгенсу, каждая точка волновой поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных вторичных волн, их внешняя огибающая будет волновой поверхностью в последующий момент времени (рис. 19.9; S1 и S2 — волновые поверхности соответственно в моменты tl и t2; t2 > t1.
Френель дополнил это положение Гюйгенса, введя представление о когерентности вторичных волн и их интерференции. В таком обобщенном виде эти идеи получили название принципа Гюйгенса—Френеля.
Д
Рис.
19.9
19.5. Дифракция на щели в параллельных лучах
На узкую длинную щель, расположенную в плоской непрозрачной преграде MN, нормально падает плоскопараллельный пучок монохроматического света (рис. 19.10; АВ = а — ширина щели; L — собирающая линза, в фокальной плоскости которой расположен экран Э для наблюдения дифракционной картины).
Е
Рис.
19.10
Чтобы узнать результат интерференции вторичных волн, проделаем следующие построения. Проведем перпендикуляр AD к направлению пучка вторичных волн. Оптические пути всех вторичных волн от AD до О' будут одинаковыми, поскольку линза не вносит добавочной разности фаз между ними, поэтому та разность хода, которая образовалась у вторичных волн к AD, будет сохранена и в точке О'.
Разобьем BD на отрезки, равные /2. В случае, показанном на рис. 19.10, получено три таких отрезка: ВВ2 = В2В1 = B1-D = /2. Проведя из точек В2 и В1 прямые, параллельные AD, разделим АВ на равные зоны Френеля: АА1 = А1А2 = A2B. Любой вторичной волне, идущей от какой-либо точки одной зоны Френеля, можно найти в соседних зонах соответствующие вторичные волны такие, что разность хода между ними будет /2. Например, вторичная волна, идущая от точки А2 в выбранном направлении, проходит до точки О' расстояние на /2 больше, чем волна, идущая от точки А,, и т. д. Следовательно, вторичные волны, идущие от двух соседних зон Френеля, погасят друг друга, так как различаются по фазе на .
Число зон, укладывающихся в щели, зависит от длины волны А. и угла а. Если щель АВ можно разбить при построении на нечетное число зон Френеля, a BD — на нечетное число отрезков, равных /2, то в точке О' наблюдается максимум интенсивности света:
BD = a sin = (2k + 1)(/2); k = 1, 2, ... . (19.26)
Направление, соответствующее углу = 0, также отвечает максимуму, так как все вторичные волны придут в О в одинаковой фазе.
Если щель АВ можно разбить на четное число зон Френеля, то наблюдается минимум интенсивности света:
a sin = (2k + 1)(/2) = ± k; k = 1, 2, ... . (19.27)
Таким образом, на экране Э получится система светлых (максимум) и темных (минимум) полос, центрам которых соответствуют условия (19.26) и (19.27), симметрично расположенных влево и вправо от центральной ( = 0), наиболее яркой, полосы. Интенсивность I остальных максимумов быстро убывает по мере удаления от центрального максимума (рис. 19.11).
Если щель освещать белым светом, то на экране Э [см. (19.26), (19.27)] образуется система цветных полос, лишь центральный максимум будет сохранять цвет падающего света, так как при = 0 усиливается свет всех длин волн.
Рис.
19.11
Дифракция света, как и интерференция, связана с перераспределением энергии электромагнитных волн в пространстве. В этом смысле щель в непрозрачном экране является не просто системой, ограничивающей поступление светового потока, но перераспределителем этого потока в пространстве.
Чтобы понять влияние соотношения между шириной щели и длиной волны на возможность наблюдения дифракционной картины, рассмотрим некоторые частные случаи:
1) . а. Представив формулу для максимумов в виде
sin = (2k + 1) /(2а),
имеем sin 0 практически для всех максимумов, и дифракция при этом не наблюдается. Этот случай соответствует достаточно широкой, по сравнению с длиной волны, щели. Так, например, не удается осуществить дифракцию в комнате при прохождении света через окно;
2) а < . На основании (19.27) для первых минимумов, которые ограничивают центральную светлую полосу, можно записать
sin = ± /а.
Отсюда следует, что при заданном условии sin формально превышает единицу, чего не может быть. Практически в этом случае вместо системы максимумов и минимумов весь экран будет слабо освещен.