Дифракція світла. Дифракційна решітка та її застосування

Дифракція світла - явище огинання перешкод світловими хвилями, які поширюються в неоднорідному середовищі. Дифракція спостерігається під час проходження світла через малі отвори чи огинання світлом перешкод, розміри яких малі (співмірні) порівняно з довжиною хвилі.

Явище відхилення світла від прямолінійного поширення називається дифракцією світла. Оскільки довжина світлової хвилі є дуже малою, то і розміри перешкод чи щілини мають бути малими. Наприклад, під час проходження монохроматичного світла через круглий отвір, розмір якого сумірний з довжиною падаючих світлових хвиль, на екрані навколо центральної світлової плями спостерігаються темні і світлі кільця, що чергуються (рис. 6.39).

Для спостереження дифракції можна:

- пропустити світло від джерела через дуже малий отвір або розташувати екран на великій відстані від отвору. Тоді на екрані спостерігається складна картина зі світлих і темних концентричних кілець.

- або направити світло на тонкий дріт, тоді на екрані спостерігатимуться світлі і темні смуги, а в разі білого світу – веселкова смуга.

Якщо таке саме світло проходить через вузьку щілину, то матимемо малу картину, зображену на рис. 6.40. Поява світлих і темних кілець, що чергуються, в ділянці геометричної тіні французький фізик Френель пояснив інтерференцією світлових хвиль, які надходять у результаті дифракції із різних точок отвору в одну точку на екрані.

Особливо чітку дифракційну картину утворюють дифракційні грати.

Дифракційні граки - це сукупність дуже вузьких щілин, розділених непрозорими проміжками (рис. 6.41).

Дифракційні гратки – це оптичний прилад для визначення довжини світлової хвилі.

Дифракційні гратки характеризуються періодом. Період дифракційних граток визначається за формулою:

де a - ширина прозорої частини

b - непрозорої, то:

l - ширина грат;

N - кількість щілин.

Спрямуємо на грати паралельний пучок променів. Кожна точка щілини буде відхиляти промені у всіх напрямах, зокрема, і під кутом φ від початкового напряму. Якщо ці промені зібрати на екрані, наприклад, за допомогою збиральної лінзи, то можна отримати підсилення чи послаблення світла - дифракційний максимум чи мінімум освітленості.

Із заштрихованого трикутника отримаємо різницю ходу:

Δ d = d ·sinφ.

Якщо в цю різницю ходу вкладеться ціла кількість довжин хвиль, то на екрані спостерігатиметься дифракційний максимум, а якщо непарна кількість півхвиль, - мінімум.

Таким чином, Δ d = kλ, а також Δ d = d ·sinφ, то для умови максимуму дифракційної гратки, отримаємо:

d · sin φ = kλ (1)

де k = 1, 2, 3, …, n (ціле число), λ - довжина падаючої світлової хвилі.

Внаслідок дифракції на дифракційних гратах білого світла всі головні максимуми, крім центрального нульового максимуму, будуть забарвленими. Зі збільшенням довжини хвилі головні максимуми всередині розміщуються під великим кутами від центрального. Райдужна полоска, що містить сім кольорів - від фіолетового до червоного (підрахунок ведеться від центрального максимуму), називають дифракційним спектром.

Якщо відомо період грат d, і виміряно кут φ, під яким спостерігається максимум і порядок спектра k, тоді можна визначити довжину світлової хвилі:

.

Вона дорівнює: λ _ч 8·10^-7 м; λ _ф 4·10^-7 м.

Інші кольори мають проміжні значення.

Промисловість виготовляє дифракційні грати, які містять 50 штрихів/мм, 100 штрихів/мм, 600 штрихів/мм, 1200 штрихів/мм і дзеркальні грати з 6000 штрихів/мм.