Що таке дифракція світла?

Дифракція (лат. diffractus – буквально розламаний, переламаний) – явище, яке можна розглядати як відхилення від законів геометричної оптики при поширенні хвиль.

Дифракційні явища були добре відомі ще в часи Ньютона, але пояснити їх на основі корпускулярної теорії світла виявилося неможливим. Перше якісне пояснення явища дифракції на основі хвильових уявлень було дано англійським вченим Т. Юнгом. Незалежно від нього французький вчений О. Френель розвинув кількісну теорію дифракційних явищ (1818 р.). В основу теорії Френель поклав принцип Гюйгенса, доповнивши його ідеєю про інтерференції вторинних хвиль. Принцип Гюйгенса в його первісному вигляді дозволяв знаходити тільки положення хвильових фронтів в наступні моменти часу, тобто визначати напрям поширення хвилі. По суті, це був принцип геометричної оптики. Гіпотезу Гюйгенса про огинаючої вторинних хвиль Френель замінив фізично ясним положенням, згідно з яким вторинні хвилі, приходячи в точку спостереження, інтерферують один з одним. Принцип Гюйгенса-Френеля також являв собою певну гіпотезу, але подальший досвід підтвердив її справедливість. У ряді практично важливих випадків рішення дифракційних задач на основі цього принципу дає досить хороший результат.

Дифракція хвиль спостерігається незалежно від їх природи та може проявлятися:

  • в перетворенні просторової структури хвиль. В одних випадках таке перетворення можна розглядати як «огібаніе» хвилями перешкод, в інших випадках – як розширення кута поширення хвильових пучків або їх відхилення в певному напрямку;
  • в розкладанні хвиль по їх частотному спектру;
  • в перетворенні поляризації хвиль;
  • у зміні фазової структури хвиль.

Дифракційні ефекти залежать від співвідношення між довжиною хвилі і характерним розміром неоднорідностей середовища або неоднорідностей структури самої хвилі. Найбільш сильно вони проявляються при розмірах неоднорідностей порівнянних з довжиною хвилі. При розмірах неоднорідностей істотно перевищують довжину хвилі (на 3-4 порядка і більше), явищем дифракції, як правило, можна знехтувати. В останньому випадку поширення хвиль з високим ступенем точності описується законами геометричної оптики. З іншого боку, якщо розмір неоднорідностей середовища багато менше довжини хвилі, то в такому випадку замість дифракції часто говорять про явище розсіювання хвиль.

Найбільш добре вивчена дифракція електромагнітних (зокрема, оптичних) і акустичних хвиль, а також гравітаційно-капілярних хвиль (хвилі на поверхні рідини).

Тонкощі в тлумаченні терміну «дифракція». У явищі дифракції важливу роль відіграють вихідні розміри області хвильового поля та вихідна структура хвильового поля, яка схильна істотної трансформації в разі, якщо елементи структури хвильового поля порівнянні з довжиною хвилі або менше її. Наприклад, обмежений у просторі хвильовий пучок має властивість «розходитися» («розпливатися») в просторі в міру поширення навіть в однорідному середовищі. Дане явище, не описується законами геометричної оптики і відноситься до дифракційних явищ (дифракційна расходимость, дифракційне розпливанню хвильового пучка). Вихідне обмеження хвильового поля в просторі і його певна структура можуть виникнути не тільки за рахунок присутності поглинаючих чи відображають елементів, але і, наприклад, при породженні (генерації, випромінюванні) даного хвильового поля.

Спочатку явище дифракції трактувалося як огібаніе хвилею перешкоди, тобто проникнення хвилі в область геометричної тіні. Слід зауважити, що в середовищах, в яких швидкість хвилі плавно (в порівнянні з довжиною хвилі) змінюється від точки до точки, поширення хвильового пучка є криволінійним (див. градієнтна оптика, градієнтні хвилеводи, міраж). При цьому хвиля також може огинати перешкоду. Однак таке криволінійне поширення хвилі може бути описано за допомогою рівнянь геометричної оптики, і це явище не відноситься до дифракції. Відступ від прямолінійності поширення світла спостерігається також в сильних полях тяжіння. Експериментально підтверджено, що світло, що проходить поблизу масивного об'єкта, наприклад, поблизу зірки, відхиляється в її полі тяжіння в бік зірки. Таким чином, і в даному випадку можна говорити про «огибанием» світловою хвилею перешкоди. Однак, це явище також не відноситься до дифракції. Разом з тим, у багатьох випадках дифракція може бути і не пов'язана з огибанием перешкоди. Така, наприклад, дифракція на непоглинаючих (прозорих) так званих фазових структурах.

З точки зору сучасної науки визначення дифракції як огібанія світлом перешкоди визнається недостатнім (занадто вузьким) і не цілком адекватним.

Оскільки, з одного боку, явище дифракції світла виявилося неможливим пояснити з точки зору променевої моделі, тобто з точки зору геометричної оптики, а з іншого боку, дифракція отримала вичерпне пояснення в рамках хвильової теорії, то часто під дифракцією розуміють прояв будь відступу від законів геометричної оптики. При цьому слід зауважити, що деякі хвильові явища не описуються законами геометричної оптики і, в теж час, не відносяться до дифракції. До таких типово хвильовим явищ належить, наприклад, обертання площини поляризації світлової хвилі в оптично активному середовищі, яке дифракцією не є. Разом з тим, єдиним результатом так називаються колінеарними дифракції з перетворенням оптичних мод може бути саме поворот площини поляризації, в той час як дифрагованого хвильової пучок зберігає вихідне напрям поширення. Такий тип дифракції може бути реалізований, наприклад, як дифракція світла на ультразвуку в двулучепреломляющего кристалах, при якій хвилеві вектори оптичної та акустичної хвиль паралельні один одному. Ще один приклад: з точки зору геометричної оптики неможливо пояснити явища, що мають місце в так званих пов'язаних хвилеводах, хоча ці явища також не відносять до дифракції (хвильові явища, пов'язані з «витікаючими» полями). Загальною властивістю всіх ефектів дифракції є саме певна залежність даного явища від співвідношення між довжиною хвилі і розміром неоднорідностей середовища. Тому дифракція являє собою універсальне хвильове явище і характеризується одними і тими ж законами у разі хвиль різної природи.

Дифракцією світла називається явище відхилення світла від прямолінійного напряму поширення при проходженні поблизу перешкод. Як показує досвід, світло при певних умовах може заходити в область геометричної тіні. Якщо на шляху паралельного світлового пучка розташоване кругле перешкоду (круглий диск, кулька або круглий отвір в непрозорому екрані), то на екрані, розташованому на досить великій відстані від перешкоди, з'являється дифракційна картина – система чергуються світлих і темних кілець. Якщо перешкода має лінійний характер (щілина, нитка, край екрану), то на екрані виникає система паралельних дифракційних смуг.

Академік.ру – Дифракція.

Вікіпедія – Дифракція хвиль.

College.ru – Дифракція світла.


Category: Наука та освіта

Comments (Прокоментуй!)

There are no comments yet. Why not be the first to speak your mind.

Leave a Reply