Дифракція світла. Принцип Гюйгенса-Френеля

Дифракцією називається сукупність явищ, що спостерігаються при поширенні світла в середовищі з різними неоднорідностями (поблизу границь непрозорих або прозорих тіл, через малі отвори) і які пов’язані із зміною напрямку поширення світлових хвиль (порівняно з напрямком, передбаченим геометричною оптикою).

Дифракція, зокрема, приводить до огинання світловими хвилями перешкод і проникнення світла в область геометричної тіні.

Між інтерференцією і дифракцією немає суттєвої фізичної відмінності. Інтерференція хвиль – це перерозподіл інтенсивності, який виникає в результаті суперпозиції хвиль, що збуджуються скінченним джерелом когерентних джерел. Перерозподіл інтенсивності, який виникає внаслідок суперпозиції хвиль, що збуджуються когерентними джерелами, які розміщені неперервно, називається дифракцією хвиль.

Явище дифракції пояснюється за допомогою принципу Гюйгенса:

кожна точка, до якої доходить хвиля, служить центром вторинних хвиль, а обвідна цих хвиль дає положення хвильового фронту в наступний момент часу.

Як приклад застосування принципу Гюйгенса розглянемо падіння плоскої хвилі на перешкоду з отвором (рис. 220).

Коли хвильовий фронт доходить до перешкоди, то кожна точка отвору стає джерелом вторинних хвиль, а обвідна цих хвиль задає фронт хвилі, що пройшла через отвір. Цей фронт плоский лише в середній частині, а біля границі отвору відбувається загинання хвильового фронту, тобто хвиля проникає в область геометричної тіні, огинаючи краї перешкоди.

Принцип Гюйгенса – суто геометричний спосіб побудови хвильових поверхонь – розв’язує лише задачу про напрямок поширення хвильового фронту, але не зачіпає, по суті, питання про амплітуду, а отже, і про інтенсивність хвиль, що поширюються в різних напрямках. Френель вклав у принцип Гюйгенса фізичний зміст, доповнивши його ідеєю інтерференції вторинних хвиль. Принцип Гюйгенса-Френеля можна виразити такими положеннями:

1). під час розрахунку амплітуди світлових коливань, що збуджуються джерелом в довільній точці М, джерело можна замінити еквівалентною йому системою вторинних джерел – малих ділянок dS будь-якої замкненої допоміжної поверхні S, проведеної так, щоб вона охоплювала джерело і не охоплювала розглядувану точку М;

2). вторинні джерела, які еквівалентні джерелу , когерентні між собою, тому вторинні хвилі, збуджені ними, інтерферують, і розрахунок інтерференції найбільш простий, якщо S – хвильова поверхня для світла джерела , оскільки при цьому фази коливань всіх вторинних джерел однакові;

3). амплітуда коливань, що збуджуються в точці М вторинним джерелом, пропорційна до площі dS відповідної ділянки хвильової поверхні обернено пропорційна до відстані r від неї до точки М і залежить від кута між зовнішньою нормаллю до хвильової поверхні і напрямком від елемента dS до точки М (рис. 221):

,

де – фаза коливань в місці розміщення хвильової поверхні, a – величина, яка пропорційна до амплітуди первинних хвиль в точках елемента dS; монотонно спадає від 1 при до 0 при (вторинні джерела не випромінюють назад); кут називається кутом дифракції.

4). якщо частина поверхні S закрита непрозорими екранами, то вона не випромінює енергію, а інші випромінюють так само, як і за відсутності екранів.

Врахування амплітуд і фаз вторинних хвиль дозволяє в кожному конкретному випадку знайти амплітуду результуючої хвилі в довільній точці простору, тобто визначити закономірності поширення світла. В загальному випадку розрахунок інтерференцій вторинних хвиль досить
складний і громіздкий, однак для ряду випадків знаходження амплітуди результуючого коливання здійснюється алгебраїчним або геометричним додаванням.

Результуюче коливання в точці М є суперпозицією коливань , взятих для всієї хвильової поверхні S:

.

Ця формула є аналітичним виразом принципу Гюйгенса-Френеля.