Хвильові ефекти: дифракція світла

Дифракція світла - ефект, що виникає при поширенні хвиль. Проявляється він у відхиленні від законів геометричної оптики. При різних хвильових явищах можна простежити однаковий характер принципів, відповідно до яких вони виникають.

Інтерференція і дифракція світла

дифракція світла

Необхідно відзначити, що два цих поняття вважаються нерозривними. Як правило, дифракція розглядається як окремий випадок. Розглядаються хвилі, обмежені в просторі. Інтерференція світла - явище додавання коливань. У певних точках простору амплітуда зростає за рахунок накладення хвиль. При цьому в інших точках відбувається зменшення амплітуди. Максимуми і мінімуми чергуються, утворюючи інтерференційну картину. Сталість спостерігається тільки в разі когерентності коливань, що складаються, тобто, коли їх різниця постійна. Когерентні коливання - хвилювання однакової частоти. Саме тому на практиці частіше вивчається інтерференція монохроматичних коливань. Слід зазначити, що загальна властивість всіх ефектів дифракції - чітка залежність від співвідношення величини lambda- до d, де lambda- - довжина хвилі, а d - розмір ширини хвильового фронту.

Значення явища

У більшій частині практичних випадків ширина хвильового фронту обмежена. Це означає, що явище відхилення від оптичних законів супроводжує практично будь хвильовий процес. Дифракція світла задає роздільну здатність будь-якого, навіть самого простого оптичного приладу. При проектуванні більш складних систем дана характеристика обмежується частіше абераціями. Вони зростають зі збільшенням діаметра об'єктива фотоапарата. Фотографам відомо явище поліпшення якості картинки при діафрагмуванні об'єктива.

явище дифракції світлаВипадки зневаги

Явище дифракції світла може впливати на хід обчислень в процесі вивчення, тільки якщо неоднорідності оптичного середовища за розмірами можна порівняти з довжиною хвилі. Тоді виявляється ефект розсіювання хвиль. Але як тільки неоднорідності стають на 3 - 4 порядки більше довжини хвилі, дифракцией часто нехтують. У цьому випадку поширення хвилі дуже точно описується системою законів геометричної оптики.

Різні трактування ефекту

У різні часи дифракція світла розумілася і пояснювалася по-різному. Одна з найперших трактувань припускала, що хвиля як би огинає перешкоду. Іншими словами, вона проникає в область геометричної тіні. Але за сучасними мірками це трактування занадто вузька. На думку дослідників, вона недостатньо описує відбуваються ефекти. У сучасній науці з дифракцією пов'язаний великий спектр явищ. Вони відбуваються при поширенні хвиль у неоднорідних оптичних середовищах.

Як виявляється ефект?

інтерференція і дифракція світла

Дифракція світла може виявлятися в просторової трансформації хвильових структур. Це можна вважати в деякому роді "огибанием" хвилею існуючого бо виниклої перешкоди. В інших ситуаціях причиною може стати розширення сектора поширення пучків, або їх відхилення на певну сторону. Також дифракція світла може проявитися в спектральному розкладанні хвиль по частоті. Крім того, виявлятися розглянутий ефект може в перетворенні хвильової поляризації або в зміні фазової структури. На сьогоднішній день самими вивченими є ефекти акустичних і електромагнітних хвиль (Оптичних зокрема). Дослідженням піддалися і досить пояснені гравітаційно-капілярні хвилі на поверхні рідини.

дифракція світла

Деякі особливості

Такі характеристики хвильового поля, як його вихідні розміри і структура відіграють важливу роль в явищі дифракції. У випадку, коли неоднорідності оптичної системи порівнянні з довжиною хвилі або менше її, відзначаються суттєві зміни параметрів. Для кращого розуміння можна розглянути простий приклад. Маємо обмежений у просторі пучок хвиль. Навіть якщо оптичне середовище однорідна, він матиме властивість "розпливатися". Подібний ефект неможливо описати за допомогою апарату геометричній оптики. Але сучасна наука вже багата таким поняттям, як дифракційна расходимость. Саме завдяки йому з'являється можливість описати прояв подібного ефекту в найповнішій мірі. Зауважимо, що вихідне обмеження і структура хвильового поля в просторі часто виникають не тільки внаслідок наявності елементів поглинання або відбиття. Найчастіше вони з'являються вже при первісному породженні розглянутої середовища.

Особливі випадки

Припустимо, маємо оптичну середу, в якій від точки до точки наголошується плавна зміна швидкості хвилі. Плавність будемо "обчислювати" щодо зміни довжини об'єкта. У такому середовищі поширення пучка буде криволінійним. З цим фактом пов'язано таке явище, як міраж (до речі кажучи, воно вивчається в градиентной оптиці). У цьому випадку перешкода може огинати хвилею. Що примітно, такий ефект може бути описаний за допомогою рівнянь апарату геометричній оптики. Це явище криволинейного хвильового поширення не можна віднести до дифракційним. Відзначимо, що досить часто ефект відхилення може бути взагалі ніяк не пов'язаний з так званим "огибанием" виниклого або існуючого перешкоди. У той же час наявність об'єкта "на шляху" обумовлює дифракцию. Як приклад можна привести ефект відхилення на фазових структурах, тобто непоглощающіх або прозорого типу. явище дифракції світла

Остаточні розбіжності з геометричною оптикою

Як ми з'ясували, дифракцию не можна пояснити в термінах променевої моделі, тобто в рамках визначень геометричній оптики. З іншого боку, вичерпної виявилася трактування з точки зору теорії хвильових процесів. Однак деякі явища не можуть бути пояснені за допомогою геометричної оптики, але при цьому одночасно не належать і до дифракції. Наприклад, явище обертання поляризационной площини в оптично активному середовищі не рахується ефектом відхилення. У той же час поворот площини поляризації є результатом так званої колінеарний дифракції. Підданий відхиленню пучок хвиль не змінює напрямку. Цей тип ефекту реалізується, наприклад, як ультразвукова дифракція в двулучепреломляющего кристалах. У цьому випадку паралельними будуть вектори акустичної та оптичної хвиль. Слід зазначити, що в термінах променевої моделі не можна витлумачити і явища пов'язаних хвилеводів, хоча їх також не відносять до дифракції. Ще один приклад подібних розбіжностей - розділ "Оптика кристалів". У ньому розглядається анізотропія середовища. Цей розділ має мало спільного з проблемою дифракції. інтерференція і дифракція світла Однак доречними б були коригування використовуваних в ньому уявлень променевої моделі. Адже є явні відмінності в понятті променя як напряму поширення світла і поняття хвильового фронту як нормалі до променя. У сильних полях тяжіння також можна спостерігати криволінійне поширення пучків. Вченими доведено, що світло, що проходить поруч з масивним об'єктом, наприклад, зіркою, змінює напрямок в сторону поля тяжіння об'єкта. І тут в підсумку бачимо "огибание" перешкоди. Хоча це явище і не відноситься до дифракції.


Оцініть, будь ласка статтю
Всього голосів: 31