28190

Дифракция света на щели. Дифракция света от многих щелей. Дифракционная решетка и ее характеристики

Доклад

Физика

Дифракционная решетка и ее характеристики Дифракция волн от лат. diffractus разломанный преломлённый – в первоначальном узком смысле – огибание волнами препятствий. В современном более широком смысле под дифракцией понимают любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Вследствие дифракции волны могут попадать в область геометрической тени.

Русский

2013-08-20

123 KB

27 чел.

53. Дифракция света на щели. Дифракция света от  многих  щелей. Дифракционная решетка и ее характеристики

Дифракция волн  (от лат. diffractus  - разломанный, преломлённый) – в первоначальном, узком смысле – огибание волнами препятствий. В современном, более широком смысле под дифракцией понимают любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Вследствие дифракции волны могут попадать в область геометрической тени. Для объяснения характера распределения волнового поля  после прохождения препятствия (после дифракции) используется представление о возникновении вторичных волн, порождаемых всеми элементами волнового фронта, дополненное утверждением об интерференции вторичных волн (принцип Гюйгенса – Френеля).

Структура дифракционного поля существенно зависит от расстояния  между излучателем и точкой наблюдения. При   наблюдается дифракция Фраунгофера, или дифракция плоских волн, или дифракция в параллельных лучах. Здесь  − характерный размер всего излучателя (диаметр отверстия, радиус кривизны края препятствия, длина решетки и т.п.), λ – длина волны излучения. Наиболее отчетливо дифракция начинает проявляться при .

Пусть пучок параллельных лучей (плоская волна) падает на щель в непрозрачном экране.  Линза (рисунок 1) собирает в различных участках своей главной фокальной плоскости все лучи, прошедшие через цель и упавшие на линзу, в том числе и лучи, отклонившиеся от первоначального направления в результате дифракции. Исследуя распределение освещенности на экране, расположенном в фокальной плоскости линзы , можно обнаружить дифракционную картину, образующуюся вследствие интерференции вторичных волн, распространяющихся от каждого элемента, выделенного в окне отверстия и являющегося, таким образом, вторичным источником.  

Рассчитаем дифракционную картину, которая формируется вследствие дифракции Фраунгофера плоской волны на одиночной щели.

Пусть плоская волна падает нормально к плоскости щели (рисунок 14.2). Мысленно разделим щель на ряд одинаковых узких параллельных друг другу полосок, каждую из которых можно рассматривать как источник волн. Фазы этих волн одинаковы, амплитуды – тоже, так как выделенные  элементы наклонены под одинакоым углом к направлению наблюдения (рисунок 2). Для аналитического расчета интенсивности волн в различных направлениях за щелью, напишем выражение для волны, посылаемой каждым элементом волнового фронта, и просуммируем действие всех элементов.

Амплитуда волны, посылаемой элементом шириной dx, пропорциональна его ширине:

A = Cdx.

Множитель  С определим, учитывая, что при φ = 0 амплитуда волны равна А0:

Cb = A0,   C  = A0 / b.

Таким образом, возмущение ds, обусловленное в точке Bφ элементом dx, представим в виде:

Учтем разность фаз для волн, доходящих до точки наблюдения от различных участков волнового фронта. Проведем плоскость FD перпендикулярно направлению дифракции. Нужно определить оптическую разность хода на пути от плоскости FE до плоскости FD. Так как  

                                           (1)

где  – волновое число.

Результирующее возмущение в точке  Bφ определим, интегрируя выражение (1) по x в пределах ширины щели и учитывая, что :

                               (2)

 При дифракции на небольшие углы можно считать, что . При этом амплитуда Aφ равна нулю при выполнении условия дифракционных минимумов;

  где n = ± 1, ± 2, ± 3, … .                                         (3)

Первый минимум можно наблюдать под углом, удовлетворяющим условию . 

Положение дифракционных максимумов определяют, находя максимумы функции

                                (4)

где  I0 = A02. В частности, максимум нулевого порядка наблюдается при

   

Максимумы первого, второго, третьего и др. порядков наблюдаются соответственно при выполнении условий

       …

Дифракционная картина имеет вид чередующихся темных и светлых полос. Эти полосы расположены симметрично по обе стороны от более широкого и более яркого центрального максимума. Интенсивность дифракционных полос распределяется по полю дифракционной картины неравномерно. С увеличением угла дифракции интенсивность волн в максимумах быстро уменьшается: (рисунок 3).

Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке. Одномерная дифракционная решетка представляет собой последовательность равноотстоящих друг от друга на расстоянии a  щелей одинаковой ширины b (рисунок 4). При этом величину d = a + b называют периодом дифракционной решетки (или постоянной дифракционной решетки). Решетка длиной L содержит N = L / d щелей (штрихов).

 

Пусть на одномерную дифракционную решетку падает под углом Θ монохроматическое излучение с плоским фронтом и длиной волны λ (рисунок 5).

 

Оптическая разность хода волн, приходящих в точку наблюдения от двух соседних щелей, определяется суммой длин отрезков CB и BD. Выразим их через постоянную решетки d и углы Θ и φ:

                                             (5)

где знак (+) или (-) выбирается с учетом того, является решетка отражающей или пропускающей. При нормальном падении излучения на дифракционную решетку Θ = 0, и формула (5) принимает вид:

                                         (6)

Дифракционная картина по виду аналогична получаемой от одной щели, однако вследствие того, что между максимумами, положение которых определяется из условия

Δ = ,                                            (7)

располагаются дополнительные минимумы, соответствующие интерференции волн, приходящих от других щелей дифракционные максимумы в рассматриваемой ситуации более острые, и дифракционная картина более контрастна, чем при дифракции на щели.

Угловая дисперсия дифракционной решетки

Если дифракционная картина проецируется на экран посредством линзы с фокусным расстоянием F (рисунок 1), то линейная дисперсия оптической системы, состоящей из дифракционной решетки и линзы, определяется по формуле

Разрешающая способность дифракционной решетки R зависит от полного числа штрихов N в решетке и от порядка дифракции m:

где δλ – разрешаемый интервал длин волн вблизи спектральной линии с длиной волны λ.

исунок 1 – Дифракция Фраунгофера на одной щели

Р

M       Bφ                        B0                                              M

L

φ

φ

D

E

N

F

b-x

x

b

Рисунок 2 – К расчету дифракционной картины,

формируемой при дифракции на одной щели

Рисунок 3 – Распределение интенсивности  при дифракции излучения на одиночной щели  дифракционной

-3λ/b  -2λ/b  -λ/b   0   λ/b   2λ/b  -3λ/b   

L

d

b

a

Рисунок 4 – Одномерная дифракционная решетка и ее геометрические параметры

m

0

-m

C

Θ

D

В

А

φ

Рисунок 5 – К определению положения дифракционных максимумов

F


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30806. Устройство рабочих швов 13.91 KB
  В изгибаемых конструкциях рабочие швы располагают в местах с наименьшим влиянием на прочность конструкции. В колоннах швы устраивают на уровне верха фундамента у низа прогонов балок или подкрановых консолей; в колоннах безбалочных перекрытий у низа или верха вута в рамах между стойкой и ригелем. При подготовке к очередному бетонированию швы обрабатывают через 8.
30807. Уход за бетоном в процессе твердения. Распалубливание конструкций 16.32 KB
  Открытую поверхность бетона прежде всего предохраняют от вредного воздействия прямых солнечных лучей ветра и дождя. Если поверхность бетона предварительно была укрыта влагоемкими материалами брезентом матами песком и др. В жарком сухом климате если не обеспечить благоприятных температурновлажностных условий твердения прочность бетона снижается на 15. В начальный период ухода за бетоном не следует обильной поливкой сразу после укладки нарушать структуру твердеющего бетона.
30808. Бетонирование массивов и фундаментов 14.03 KB
  В фундаменты и массивы в зависимости от объема заглубления высоты и других особенностей бетонную смесь укладывают по следующим технологическим схемам: с разгрузкой смеси из транспортного прибора непосредственно в опалубку с передвижного моста или эстакады с помощью вибропитателей и виброжелобов бетоноукладчиков бетононасосов бадьями с помощью кранов. В ступенчатые фундаменты с общей высотой до 3 м и площадью нижней ступени до 6 м2 смесь подают через верхний край опалубки предусматривая меры против смещения анкерных болтов и закладных...
30809. Бетонирование полов 15.33 KB
  Для осуществления процесса укладки плиты разбивают на карты. Если толщина плит меньше 05 м то разбивку на карты и укладку бетона ведут в таком порядке: Площадь делят на картыполосы по 34м Устанавливают по краям полос маячные доски. При большей толщине плиты разбивают на параллельные карты шириной 5. Карты бетонируют подряд т.
30810. Сетевые и локальные СУБД 12.74 KB
  Существенной проблемой СУБД такого типа является синхронизация копий данных именно поэтому для решения задач требующих совместной работы нескольких пользователей локальные СУБД фактически не используются. К сетевым относятся файлсерверные клиентсерверные и распределенные СУБД. В файлсерверных СУБД все данные обычно размещаются в одном или нескольких каталогах достаточно мощной машины специально выделенной для этих целей и постоянно подключенной к сети.
30811. Процес нормализации баз данных 16.04 KB
  Например задано следующее отношение: ПРЕДМЕТ Код предмета. Переведем атрибут с повторяющимися значениями в новую сущность назначим ей первичный ключ Код преподавателя и свяжем с исходной сущностью ссылкой на ее первичный ключ Код предмета. В результате получим две сущности причем во вторую сущность добавятся характеризующие ее атрибуты: ПРЕДМЕТ Код предмета. Название Цикл Объем часов; ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Код преподавателя ФИО Должность Оклад Адрес Код предмета.
30812. ПОТОКИ И ПРОЦЕССЫ 13.25 KB
  Процесс обеспечивает программу всем что ей нужно для работы включая один поток. Этот стандартный поток основной поток используется для выполнения кода программы. Основной поток типичного процесса начинает работу с точки входа и продолжает выполняться в соответствии со всеми циклами условными операторами и вызовами функций. Основной поток завершается вместе с завершением процесса.
30813. Гонки и тупики 11.15 KB
  Пусть Поток 1 получил доступ к ресурсу и изменил его в своих интересах; затем активизировался Поток 2 и модифицировал этот же ресурс до завершения Потока 1. Поток 1 полагает что ресурс остался в том же состоянии что и был до переключения. Тупики имеют место тогда когда поток ожидает ресурс который в данный момент принадлежит другому потоку.
30814. Создание таблиц для базы 18.26 KB
  Создание таблиц для базы Важным моментом при создании базы данных является распределение информации между полями записи. Очевидно что информация может быть распределена между полями различным образом. После того как определены поля записи необходимо выполнить распределение полей по таблицам. В простой базе данных все поля можно разместить в одной таблице.