Характеристика дифракции света как совокупности явлений, которые обусловлены волновой природой света при его распространении в среде. Нарушение симметрии распределения возмущений в поперечной волне. Сущность дифракционных эффектов и поляризации волн.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Дифракцией света называют совокупность явлений, которые обусловлены волновой природой света и наблюдаются при его распространении в среде с резко выраженными неоднородностями (например, при прохождении через отверстия в непрозрачных экранах, вблизи границ непрозрачных тел и т.д.) В более узком смысле под дифракцией понимают явление огибания светом малых препятствий, т.е. отклонения от законов геометрической оптики и следовательно проникновение света в область геометрической тени.
Дифракцию света Френель объяснил как результат интерференции вторичных волн согласно принципу Гюйгенса-Френеля. [Гюйгенса-Френеля принцип - это приближенный метод решения задач о распространении волн, особенно световых. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, каждый элемент поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных волн, огибание которых будет волновой поверхностью в следующий момент времени.Положение фронта распространяющейся волны может быть в любой момент времени представлено огибающей всех вторичных (элементарных) волн, Рис.1. Источниками вторичных волн являются точки, до которых дошел фронт первичной волны в предшествующий момент времени. При этом предполагается, что вторичные волны излучаются только «вперед», т.е. в направлениях, составляющих острые углы с направлением внешней нормали к фронту первичной волны. Принцип Гюйгенса позволяет объяснить законы отражения и преломления света, однако он недостаточен для объяснения дифракционной картины.
дифракция свет поляризация волна
В более широком толковании, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве волн. Дифракция тесно связана с явлением интерференции - взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве. Сопровождается чередованием максимумов и минимумов интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина -голограмма) зависит от разности фаз накладывающихся волн. интерференция в тонких пленках (метод деления волнового фронта), при которой складываются электромагнитные волны, отразившиеся от двух поверхностей. В зависимости от соотношения между толщиной пленки и длиной волны излучения наблюдается усиление или ослабление цвета.
При освещении белым светом (смесь с различными длинами волн) возникает зависящая от толщины цветная окраска пленки (например, радужные разводы на пятне нефти в воде). Описанный способ окраски используется в природе: пестрая расцветка крыльев бабочек обусловлена не наличием красящего пигмента, а интерференцией света в тонких прозрачных чашуйках крыльев. В технике интерференционные покрытия используются для создания зеркал с высоким коэффициентом отражения (“диэлектрические зеркала”) и для просветления оптики (гашения волн, отраженных от многочисленных поверхностей линз сложных объективов). Высокая чувствительность наблюдаемой картины распределения интенсивностей к разности хода интерферирующих пучков лежит в основе целого класса сверх точных приборов, называемых интерферометрами. Например измеряющие сверх-малые скорости движения (несколько сантиметров в год): сползание ледников, дрейф материков и т.д.
Производство высококачественных голограмм стало возможным после создания лазеров - мощных источников монохроматического излучения, способных давать устойчивую интерференционную картину даже при больших разностях хода интерферииующих пучков.
Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции (интерференция вторичных волн.
Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой в качестве диспергирующего элемента (монохроматоры, спектрографы, спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковых волнах в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света.
Очень широка сфера практического применения приборов, основанных на квантовых оптических явлениях - фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, усилителей яркости изображения (электроннооптических преобразователей), передающих телевизионных трубок и т.д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электроэнергию для питания электро-, радио - и др. аппаратуры (т. н. солнечные батареи). На основе фотохромных материалов разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислительной техники и созданы защитные светофильтры с автоматическим увеличением поглощения света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке оптических методов разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химических реакций, позволило найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярном уровне) и медицине (см. Лазерное излучение). В технике использование лазеров привело к появлению оптических методов обработки материалов
Дифракция волн наблюдается независимо от их природы и может проявляться:
· в преобразовании пространственной структуры волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях -- как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определенном направлении;
· в разложении волн по их частотному спектру;
В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон в 1671--1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму. Например радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму.
· в преобразовании поляризации волн;
Поляризамция волн -- явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения. Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу.
· в изменении фазовой структуры волн.
Дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны. В природе примером дифракции являются миражи - это отражения каких-то вещей или явлений на поверхности раскаленного песка, асфальта, моря и т.д. Это происходит от того, что в разных слоях воздуха температура разная, а разность температуры действует как зеркало. Мираж - это нечто иное, как отраженные предметы или явления, которые мы принимаем за реальность.
Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса
Список литературы
Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: учебное пособие для приборостроительных вузов. - 2-е издание, перераб. и доп. - Спб.: Машиностроение, 2003 -- 696 с.
Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1970. - 856 с.
Википедия
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Теория явления. Дифракция – совокупность явлений при распространении света в среде с резкими неоднородностями. Нахождение и исследование функции распределения интенсивности света при дифракции от круглого отверстия. Математическая модель дифракции.
курсовая работа , добавлен 28.09.2007
Основы теории дифракции света. Эксперименты по дифракции света, условия ее возникновения. Особенности дифракции плоских волн. Описание распространения электромагнитных волн с помощью принципа Гюйгенса-Френеля. Дифракция Фраунгофера на отверстии.
презентация , добавлен 23.08.2013
Обзор дифракции в сходящихся лучах (Френеля). Правила дифракции световых волн на круглом отверстии и диске. Схема дифракции Фраунгофера. Исследование распределения интенсивности света на экране. Определение характерных параметров дифракционной картины.
презентация , добавлен 24.09.2013
Дифракция механических волн. Связь явлений интерференции света на примере опыта Юнга. Принцип Гюйгенса-Френеля, который является основным постулатом волновой теории, позволившим объяснить дифракционные явления. Границы применимости геометрической оптики.
презентация , добавлен 18.11.2014
Исследование распределения интенсивности света на экране с целью получения информации о свойствах световой волны - задача изучения дифракции света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля, увеличение интенсивности света с помощью зонной пластинки.
презентация , добавлен 18.04.2013
Исследование дифракции, явлений отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Характеристика огибания световыми волнами границ непрозрачных тел и проникновения света в область геометрической тени.
презентация , добавлен 07.06.2011
Понятие дифракции световых волн. Распределение интенсивности света в дифракционной картине при освещении щели параллельным пучком монохроматического света. Дифракционная решетка, принцип Гюйгенса - Френеля, метод зон. Дифракция Фраунгофера одной щели.
реферат , добавлен 07.09.2010
Анализ теорий распространения электромагнитных волн. Характеристика дисперсии, интерференции и поляризации света. Методика постановки исследования дифракции Фраунгофера на двух щелях. Влияние дифракции на разрешающую способность оптических инструментов.
курсовая работа , добавлен 19.01.2015
Изучение явлений интерференции и дифракции. Экспериментальные факты, свидетельствующие о поперечности световых волн. Вывод о существовании электромагнитных волн, электромагнитная теория света. Пространственная структура эллиптически-поляризованной волны.
презентация , добавлен 11.12.2009
Исследование распределения интенсивности света на экране с целью получения информации о свойствах световой волны. Основные виды дифракции. Объяснение проникновения световых волн в область геометрической тени с помощью принципа Гюйгенса. Метод фон Френеля.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Дифракция - огибание препятствий волной.
Так как свет - это совокупность волн, то, как и любая волна, она подвержена дифракции. Но так как длина света очень мала, то он может отклоняться от прямолинейного распространения на ощутимые углы, только если размеры препятствий сравнимы с длинами волн, то есть очень малы.
Более общее определение дифракции света дают следующим образом. Дифракция света - это пакет явлений, связанных с волновой природой света, которые можно наблюдать при его распространении в веществе с выраженными неоднородностями. Экспериментами, которые демонстрируют явление дифракции света являются: отклонение света от прямолинейного распространения при прохождении сквозь отверстия в непрозрачных экранах, огибание границ непрозрачных тел.
Строгое решение волновых уравнений при рассмотрении задач дифракции составляет довольно сложную проблему. Поэтому часто используют приближенные методы решений.
Явление дифракции накладывает границы на применимость законов геометрической оптики и определяет предел разрешающей способности оптических приборов.
Теория Френеля
О. Френель дополнил принцип Гюйгенса идеей вторичных волн и построил количественную теорию дифракции. Он исследовал разные варианты дифракции экспериментально и создал количественную теорию, которая дает возможность количественно охарактеризовать картину дифракции, которая возникает, если световая волна огибает любое препятствие. Основой теории Френеля стало положение о том, что волновая поверхность в произвольный момент времени является не только огибающей вторичных волн, а есть результат их интерференции. Это положение называют принципом Гюйгенса — Френеля.
В соответствии с теорией Френеля, для вычисления амплитуды волны света в произвольной точке пространства следует теоретически окружить источник света замкнутой поверхностью. Наложение волн от вторичных источников, которые находятся на полученной поверхности, будут определять амплитуду в исследуемой точке пространства. Или, иначе говоря, вне выдуманной поверхности реально распространяющаяся волна может быть заменена совокупностью когерентных фиктивных вторичных волн, которые интерферируют.
В некоторых задачах по дифракции, имеющих осевую симметрию, расчет интерференции вторичных волн упрощают при помощи геометрического метода, в котором фронт волны разбивается на участки - кольца. Эти участки называют зонами Френеля. Процедура разбиения на зоны ведется так, что оптическая разность хода от сходственных границ от каждой пары соседних зон до точки рассмотрения была равна половине длины волны. При этом вторичные волны от сходственных точек пары соседних зон приходят в точку рассмотрения, обладая противоположными фазами, следовательно, ослабляют друг друга, когда происходит их наложение.
Радиус зоны Френеля номер n () равен:
где a - расстояние от источника света, до отверстия в непрозрачном экране; b - расстояние от отверстия до точки наблюдения.
Дифракционная решетка
На явлении дифракции основано устройство дифракционной решетки. Она представляет собой совокупность узких щелей, которые разделяют узкие непрозрачные промежутки. Величины углов (), которые получаются при направлении на максимумы спектра дифракции, возникающие при использовании дифракционной решетки определены выражением:
где d - период решетки. При помощи дифракционной решетки белый свет разлагается в спектр. С ее помощью можно вычислять длину волны света.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Каково расстояние от отверстия до точки наблюдения (b), если отверстие открывает три зоны Френеля? При этом точечный источник света находится на расстоянии a=1 м до диафрагмы с круглым отверстием радиуса 1 мм (рис.1), м.
|
| Решение | Рассмотрим прямоугольный треугольник SCB. Для него:
При этом, понятно, что длина волны света () много меньше, чем расстояния a и . Для другого треугольника (ВСА), имеем: Приравняем правые части выражений (1.1) и (1.2), учтем, что , имеем:
Подставим правую часть выражения (1.3) вместо x в формулу (1.1), получим: Величиной можно пренебречь в сравнении с . Можно считать, что:
Выразим из (1.5) искомую величину b, имеем:
Проведем вычисления:
|
| Ответ | м |
ПРИМЕР 2
| Задание | На дифракционную решетку, период которой равен м, нормально падает монохроматическая волна, чему равна длина волны, если угол между спектрами первого и второго порядков составил . |
| Решение | В качестве основы для решения задачи используем условие максимумов спектра дифракционной решетки:
Так как у нас рассматриваются спектры первого и второго порядков, то формула (2.1) даст следующие выражения: |
Определение 1
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.
В классической физике, явление дифракции описывается как интерференция волны в соответствии с принципом Гюйгенса -Френеля. Эти характерные модели поведения проявляются, когда волна встречает препятствие или щель, которая сравнима по размерам с ее длиной волны. Подобные эффекты возникают, когда световая волна проходит через среду с изменяющимся показателем преломления, или когда звуковая волна проходит через среду с изменением акустического импеданса. Дифракция происходит со всеми видами волн, в том числе звуковыми волнами, ветровыми волнами и электромагнитными волнами, а также с видимым светом, рентгеновскими лучами и радиоволнами.
Поскольку физические объекты имеют волновые свойства (на атомном уровне), дифракция происходит также с веществами и может быть изучена в соответствии с принципами квантовой механики.
Примеры
Эффекты дифракции часто встречаются в повседневной жизни. Наиболее яркими примерами дифракции являются те, которые связаны со светом; например, близко расположенные дорожки на CD или DVD дисках выступают в качестве дифракционной решетки. Дифракция в атмосфере мелких частиц может привести к яркому кольцу, которое видно возле яркого источника света, такого как солнце или луна. Спекл, который наблюдается, когда лазерный луч падает на оптически неровную поверхность, также является дифракцией. Все эти эффекты являются следствием того факта, что свет распространяется в виде волны.
Замечание 1
Дифракция может произойти с любым видом волны.
Океанские волны рассеивают вокруг пристаней и других препятствий. Звуковые волны могут преломляться вокруг объектов, поэтому можно услышать, что кто-то зовет, даже когда он прячется за деревом.
История
Эффекты дифракции света были хорошо известны во времена Гримальди Франческо Марии, который также ввел термин дифракции. Результаты, полученные, Гримальди были опубликованы посмертно в $1665 $году. Томас Юнг провел знаменитый эксперимент в $1803$ году, демонстрируя интерференцию от двух близко расположенных щелей. Объясняя свои результаты с помощью интерференции волн, исходящих от двух разных щелей, он сделал вывод, что свет должен распространяться в виде волн. Френель сделал более точные исследования и расчеты дифракции, которые были опубликованы в $1815$ г. В основу своей теории Френель использует определение света, разработанное Христианом Гюйгенсом, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. Экспериментальное подтверждение теории Френеля стало одним из главных доказательств волновой природы света. В настоящее время эта теория известна как принцип Гюйгенса-Френеля.
Дифракция света
Дифракция на щели
Длинная щель бесконечно малой ширины, которая освещается светом, преломляет свет в серию круговых волн и в волновой фронт, который выходит из щели и является цилиндрической волной однородной интенсивности. Щель, которая шире, чем длина волны производит эффекты интерференции в пространстве на выходе из щели. Их можно объяснить тем, что щель ведет себя так, как будто она имеет большое количество точечных источников, которые распределены равномерно по всей ширине щели. Анализ этой системы упрощается, если рассматривать свет одной длины волны. Если падающий свет является когерентным, эти все источники имеют одинаковую фазу.
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка представляет собой оптический компонент с периодической структурой, который расщепляет и дифрагирует свет на несколько лучей, распространяющихся в разных направлениях.
Свет, дифрагированный на решетке определяется путем суммирования света, дифрагированного от каждого из элементов, и по существу является сверткой дифракционных и интерференционных картин.
Дифракция — это огибание волнами препятствий. В слу-чае света определение дифракции может звучать так:
Диф-ракция — это любые отклонения в распространении свето-вых волн от законов геометрической оптики, в частности это проникновение света в область геометрической тени.
Иногда используют более широкое определение:
Диф-ракцией называется совокупность явлений, которые на-блюдаются при распространении волн в среде с резкими неоднородностями.
Классический пример дифракции — прохождение сфе-рической световой волны через маленькое круглое отвер-стие, когда на экране вместо освещенного круга с четкими границами наблюдается светлый круг с размытыми грани-цами, испещренный чередующимися темными и светлыми кольцами.
Изменяя диаметр отверстия, мы увидим, что кар-тинка на экране будет меняться, в частности, в цен-тре освещенного круга будет появляться и исчезать темное пятно. Объяснение этому явлению дал Фре-нель . Он разбил волновой фронт на зоны так, что расстояния от соседних зон до точки наблюдения отличаются на полдлины волны. Тогда вторичные волны, приходящие от соседних зон, гасят друг дру-га. Поэтому если в отверстии помещается четное число зон, то в центре освещенного круга будет темное пятно, если нечетное — светлое.
Дифракционная решетка — это оптический прибор, представляющий собой пластину, на которую нанесено большое количество регулярно рас-положенных штрихов. Вместо штрихов на пластине могут быть регулярно распо-ложенные щели, или канавки, или вы-ступы.
Дифракционная картинка, получающая-ся на таких периодических структурах, имеет вид чередующихся максимумов и минимумов различной интенсивности. Материал с сайта
Дифракционные решетки используются в спектральных приборах. Их назначение — изучение спектрального состава электро-магнитного излучения. Для работы в ультра-фиолетовой области применяются решет-ки, у которых на 1 мм приходится 3600—1200 штрихов, в видимой — 1200—600 штрихов/мм, в инфракрасной — 300 и меньше штрихов/мм. Для ультракоротких рентгеновских волн дифракционную ре-шетку создала природа — это кристаллическая решетка твер-дых тел.
Волны с большей длиной дифрагируют сильнее, поэтому при прохождении препятствия красные лучи больше отклоняются от прямолинейного пути, чем синие. При падении белого света на призму лучи в результате диспер-сии отклоняются в обрат-ном порядке. Скорость света красных лучей в стекле больше, а соответ-ственно и коэффициент преломления меньше, чем синих. В результате красные лучи меньше от-клоняются от первона-чального направления.
Определение 1
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.
В классической физике, явление дифракции описывается как интерференция волны в соответствии с принципом Гюйгенса -Френеля. Эти характерные модели поведения проявляются, когда волна встречает препятствие или щель, которая сравнима по размерам с ее длиной волны. Подобные эффекты возникают, когда световая волна проходит через среду с изменяющимся показателем преломления, или когда звуковая волна проходит через среду с изменением акустического импеданса. Дифракция происходит со всеми видами волн, в том числе звуковыми волнами, ветровыми волнами и электромагнитными волнами, а также с видимым светом, рентгеновскими лучами и радиоволнами.
Поскольку физические объекты имеют волновые свойства (на атомном уровне), дифракция происходит также с веществами и может быть изучена в соответствии с принципами квантовой механики.
Примеры
Эффекты дифракции часто встречаются в повседневной жизни. Наиболее яркими примерами дифракции являются те, которые связаны со светом; например, близко расположенные дорожки на CD или DVD дисках выступают в качестве дифракционной решетки. Дифракция в атмосфере мелких частиц может привести к яркому кольцу, которое видно возле яркого источника света, такого как солнце или луна. Спекл, который наблюдается, когда лазерный луч падает на оптически неровную поверхность, также является дифракцией. Все эти эффекты являются следствием того факта, что свет распространяется в виде волны.
Замечание 1
Дифракция может произойти с любым видом волны.
Океанские волны рассеивают вокруг пристаней и других препятствий. Звуковые волны могут преломляться вокруг объектов, поэтому можно услышать, что кто-то зовет, даже когда он прячется за деревом.
История
Эффекты дифракции света были хорошо известны во времена Гримальди Франческо Марии, который также ввел термин дифракции. Результаты, полученные, Гримальди были опубликованы посмертно в $1665 $году. Томас Юнг провел знаменитый эксперимент в $1803$ году, демонстрируя интерференцию от двух близко расположенных щелей. Объясняя свои результаты с помощью интерференции волн, исходящих от двух разных щелей, он сделал вывод, что свет должен распространяться в виде волн. Френель сделал более точные исследования и расчеты дифракции, которые были опубликованы в $1815$ г. В основу своей теории Френель использует определение света, разработанное Христианом Гюйгенсом, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. Экспериментальное подтверждение теории Френеля стало одним из главных доказательств волновой природы света. В настоящее время эта теория известна как принцип Гюйгенса-Френеля.
Дифракция света
Дифракция на щели
Длинная щель бесконечно малой ширины, которая освещается светом, преломляет свет в серию круговых волн и в волновой фронт, который выходит из щели и является цилиндрической волной однородной интенсивности. Щель, которая шире, чем длина волны производит эффекты интерференции в пространстве на выходе из щели. Их можно объяснить тем, что щель ведет себя так, как будто она имеет большое количество точечных источников, которые распределены равномерно по всей ширине щели. Анализ этой системы упрощается, если рассматривать свет одной длины волны. Если падающий свет является когерентным, эти все источники имеют одинаковую фазу.
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка представляет собой оптический компонент с периодической структурой, который расщепляет и дифрагирует свет на несколько лучей, распространяющихся в разных направлениях.
Свет, дифрагированный на решетке определяется путем суммирования света, дифрагированного от каждого из элементов, и по существу является сверткой дифракционных и интерференционных картин.
