Период дифракционной решетки. Оптика. Дифракционная решетка Основная формула позволяющая рассчитать положение главных максимумов

Дата написания: 26.04.2023

Время на чтение: 25 минут

Одними из известных эффектов, которые подтверждают волновую природу света, являются дифракция и интерференция. Главная область их применения - спектроскопия, в которой для анализа спектрального состава электромагнитного излучения используют дифракционные решетки. Формула, которая описывает положение главных максимумов, даваемых этой решеткой, рассматривается в данной статье.

В чем заключаются явления дифракции и интерференции?

Прежде чем рассматривать вывод формулы дифракционной решетки, следует познакомиться с явлениями, благодаря которым это решетка оказывается полезной, то есть с дифракцией и интерференцией.

Дифракция - это процесс изменения движения волнового фронта, когда на своем пути он встречает непрозрачное препятствие, размеры которого сравнимы с длиной волны. Например, если через маленькое отверстие пропустить солнечный свет, то на стене можно наблюдать не маленькую светящуюся точку (что должно было произойти, если бы свет распространялся по прямой линии), а светящееся пятно некоторых размеров. Этот факт свидетельствует о волновой природе света.

Интерференция - еще одно явление, которое характерно исключительно для волн. Его суть заключается в наложении волн друг на друга. Если волновые колебания от нескольких источников согласованы (являются когерентными), тогда можно наблюдать устойчивую картину из чередующихся светлых и темных областей на экране. Минимумы на такой картине объясняются приходом волн в данную точку в противофазе (pi и -pi), а максимумы являются результатом попадания в рассматриваемую точку волн в одной фазе (pi и pi).

Оба описанных явления впервые объяснил англичанин когда исследовал дифракцию монохроматического света на двух тонких щелях в 1801 году.

Принцип Гюйгенса-Френеля и приближения дальнего и ближнего полей

Математическое описание явлений дифракции и интерференции является нетривиальной задачей. Нахождение точного ее решения требует выполнение сложных расчетов с привлечением максвелловской теории электромагнитных волн. Тем не менее в 20-е годы XIX века француз Огюстен Френель показал, что, используя представления Гюйгенса о вторичных источниках волн, можно с успехом описывать эти явления. Эта идея привела к формулировке принципа Гюйгенса-Френеля, который в настоящее время лежит в основе вывода всех формул для дифракции на препятствиях произвольной формы.

Тем не менее даже с помощью принципа Гюйгенса-Френеля решить задачу дифракции в общем виде не удается, поэтому при получении формул прибегают к некоторым приближениям. Главным из них является плоский волновой фронт. Именно такая форма волны должна падать на препятствие, чтобы можно было упростить ряд математических выкладок.

Следующее приближение заключается в положении экрана, куда проецируется дифракционная картина, относительно препятствия. Это положение описывается числом Френеля. Оно вычисляется так:

Где a - геометрические размеры препятствия (например, щели или круглого отверстия), λ - длина волны, D - дистанция между экраном и препятствием. Если для конкретного эксперимента F<<1 (<0,001), тогда говорят о приближении дальнего поля. Соответствующая ему дифракция носит фамилию Фраунгофера. Если же F>1, тогда имеет место приближение ближнего поля или дифракция Френеля.

Разница между дифракциями Фраунгофера и Френеля заключается в различных условиях для явления интерференции на маленьком и большом расстояниях от препятствия.

Вывод формулы главных максимумов дифракционной решетки, который будет приведен далее в статье, предполагает рассмотрение дифракции Фраунгофера.

Дифракционная решетка и ее виды

Эта решетка представляет собой пластинку из стекла или прозрачного пластика размером в несколько сантиметров, на которую нанесены непрозрачные штрихи одинаковой толщины. Штрихи расположены на постоянном расстоянии d друг от друга. Это расстояние носит название периода решетки. Две других важных характеристики прибора - это постоянная решетки a и число прозрачных щелей N. Величина a определяет количество щелей на 1 мм длины, поэтому она обратно пропорциональна периоду d.

Существует два типа дифракционных решеток:

Прозрачная, которая описана выше. Дифракционная картина от такой решетки возникает в результате прохождения через нее волнового фронта.
Отражающая. Она изготавливается с помощью нанесения маленьких бороздок на гладкую поверхность. Дифракция и интерференция от такой пластинки возникают за счет отражения света от вершин каждой бороздки.

Какой бы ни был тип решетки, идея ее воздействия на волновой фронт заключается в создании периодического возмущения в нем. Это приводит к образованию большого количества когерентных источников, результатом интерференции которых является дифракционная картина на экране.

Основная формула дифракционной решетки

Вывод этой формулы предполагает рассмотрение зависимости интенсивности излучения от угла его падения на экран. В приближении дальнего поля получается следующая формула для интенсивности I(θ):

I(θ) = I 0 *(sin(β)/β) 2 * 2 , где
α = pi*d/λ*(sin(θ) - sin(θ 0));
β = pi*a/λ*(sin(θ) - sin(θ 0)).

В формуле ширина щели дифракционной решетки обозначается символом a. Поэтому множитель в круглых скобках отвечает за дифракцию на одной щели. Величина d - это период дифракционной решетки. Формула показывает, что множитель в квадратных скобках, где появляется этот период, описывает интерференцию от совокупности щелей решетки.

Пользуясь приведенной формулой, можно рассчитать значение интенсивности для любого угла падения света.

Если находить значение максимумов интенсивности I(θ), то можно прийти к выводу, что они появляются при условии, что α = m*pi, где m является любым целым числом. Для условия максимумов получаем:

m*pi = pi*d/λ*(sin(θ m) - sin(θ 0)) =>
sin(θ m) - sin(θ 0) = m*λ/d.

Полученное выражение называется формулой максимумов дифракционной решетки. Числа m - это порядок дифракции.

Другие способы записи основной формулы для решетки

Заметим, что в приведенной в предыдущем пункте формуле присутствует член sin(θ 0). Здесь угол θ 0 отражает направление падения фронта световой волны относительно плоскости решетки. Когда фронт падает параллельно этой плоскости, то θ 0 = 0 o . Тогда получаем выражение для максимумов:

Поскольку постоянная решетки a (не путать с шириной щели) обратно пропорциональна величине d, то через постоянную дифракционной решетки формула выше перепишется в виде:

Чтобы не возникало ошибок при подстановке конкретных чисел λ, a и d в эти формулы, следует всегда использовать соответствующие единицы СИ.

Понятие об угловой дисперсии решетки

Будем обозначать эту величину буквой D. Согласно математическому определению, она записывается следующим равенством:

Физический смысл угловой дисперсии D заключается в том, что она показывает, на какой угол dθ m сместится максимум для порядка дифракции m, если изменить длину падающей волны на dλ.

Если применить это выражение для уравнения решетки, тогда получится формула:

Дисперсия угловая дифракционной решетки определяется по формуле выше. Видно, что величина D зависит от порядка m и от периода d.

Чем больше дисперсия D, тем выше разрешающая способность данной решетки.

Разрешающая способность решетки

Под разрешающей способностью понимают физическую величину, которая показывает, на какую минимальную величину могут отличаться две длины волны, чтобы их максимумы на дифракционной картине появлялись раздельно.

Разрешающая способность определяется критерием Рэлея. Он гласит: два максимума можно разделить на дифракционной картине, если расстояние между ними оказывается больше полуширины каждого из них. Угловая полуширина максимума для решетки определяется по формуле:

Δθ 1/2 = λ/(N*d*cos(θ m)).

Разрешающая способность решетки в соответствии с критерием Рэлея равна:

Δθ m >Δθ 1/2 или D*Δλ>Δθ 1/2 .

Подставляя значения D и Δθ 1/2 , получаем:

Δλ*m/(d*cos(θ m))>λ/(N*d*cos(θ m) =>
Δλ > λ/(m*N).

Это и есть формула разрешающей способности дифракционной решетки. Чем больше число штрихов N на пластинке и чем выше порядок дифракции, тем больше разрешающая способность для данной длины волны λ.

Дифракционная решетка в спектроскопии

Выпишем еще раз основное уравнение максимумов для решетки:

Здесь видно, что чем больше длина волны падает на пластинку со штрихами, тем при больших значениях углов будут появляться максимумы на экране. Иными словами, если через пластинку пропустить немонохроматический свет (например, белый), то на экране можно видеть появление цветных максимумов. Начиная от центрального белого максимума (дифракция нулевого порядка), дальше будут появляться максимумы для более коротких волн (фиолетовый, синий), а затем для более длинных (оранжевый, красный).

Другой важный вывод из этой формулы заключается в зависимости угла θ m от порядка дифракции. Чем больше m, тем больше значение θ m . Это означает, что цветные линии будут сильнее разделены между собой на максимумах для высокого порядка дифракции. Этот факт уже был освящен, когда рассматривалась разрешающая способность решетки (см. предыдущий пункт).

Описанные способности дифракционной решетки позволяют использовать ее для анализа спектров излучения различных светящихся объектов, включая далекие звезды и галактики.

Пример решения задачи

Покажем, как пользоваться формулой дифракционной решетки. Длина волны света, которая падает решетку, равна 550 нм. Необходимо определить угол, при котором появляется дифракция первого порядка, если период d равен 4 мкм.

Переводим все данные в единицы СИ и подставляем в это равенство:

θ 1 = arcsin(550*10 -9 /(4*10 -6)) = 7,9 o .

Если экран будет находиться на расстоянии 1 метр от решетки, то от середины центрального максимума линия первого порядка дифракции для волны 550 нм появится на расстоянии 13,8 см, что соответствует углу 7,9 o .

В чем заключаются явления дифракции и интерференции?

Вам будет интересно:

Оба описанных явления впервые объяснил англичанин Томас Юнг, когда исследовал дифракцию монохроматического света на двух тонких щелях в 1801 году.

Принцип Гюйгенса-Френеля и приближения дальнего и ближнего полей

Дифракционная решетка и ее виды

Существует два типа дифракционных решеток:

Прозрачная, которая описана выше. Дифракционная картина от такой решетки возникает в результате прохождения через нее волнового фронта.
Отражающая. Она изготавливается с помощью нанесения маленьких бороздок на гладкую поверхность. Дифракция и интерференция от такой пластинки возникают за счет отражения света от вершин каждой бороздки.

Основная формула дифракционной решетки

I(θ) = I0*(sin(β)/β)2*2, где

α = pi*d/λ*(sin(θ) - sin(θ0));

β = pi*a/λ*(sin(θ) - sin(θ0)).

Пользуясь приведенной формулой, можно рассчитать значение интенсивности для любого угла падения света.

m*pi = pi*d/λ*(sin(θm) - sin(θ0)) =>

sin(θm) - sin(θ0) = m*λ/d.

Полученное выражение называется формулой максимумов дифракционной решетки. Числа m - это порядок дифракции.

Другие способы записи основной формулы для решетки

Заметим, что в приведенной в предыдущем пункте формуле присутствует член sin(θ0). Здесь угол θ0 отражает направление падения фронта световой волны относительно плоскости решетки. Когда фронт падает параллельно этой плоскости, то θ0 = 0o. Тогда получаем выражение для максимумов:

sin(θm) = m*λ/d.

sin(θm) = m*λ*a.

Понятие об угловой дисперсии решетки

Физический смысл угловой дисперсии D заключается в том, что она показывает, на какой угол dθm сместится максимум для порядка дифракции m, если изменить длину падающей волны на dλ.

Если применить это выражение для уравнения решетки, тогда получится формула:

D = m/(d*cos(θm)).

Чем больше дисперсия D, тем выше разрешающая способность данной решетки.

Разрешающая способность решетки

Δθ1/2 = λ/(N*d*cos(θm)).

Разрешающая способность решетки в соответствии с критерием Рэлея равна:

Δθm>Δθ1/2 или D*Δλ>Δθ1/2.

Подставляя значения D и Δθ1/2, получаем:

Δλ*m/(d*cos(θm))>λ/(N*d*cos(θm) =>

Δλ > λ/(m*N).

Дифракционная решетка в спектроскопии

Выпишем еще раз основное уравнение максимумов для решетки:

sin(θm) = m*λ/d.

Другой важный вывод из этой формулы заключается в зависимости угла θm от порядка дифракции. Чем больше m, тем больше значение θm. Это означает, что цветные линии будут сильнее разделены между собой на максимумах для высокого порядка дифракции. Этот факт уже был освящен, когда рассматривалась разрешающая способность решетки (см. предыдущий пункт).

Пример решения задачи

θ1 = arcsin(λ/d).

Переводим все данные в единицы СИ и подставляем в это равенство:

θ1 = arcsin(550*10-9/(4*10-6)) = 7,9o.

Плоская прозрачная дифракционная решетка представляет собой систему параллельных щелей одинаковой ширины “а”, находящихся на равных расстояниях друг от друга “b” и лежащих в одной плоскости. Она изготавливается путем нанесения непрозрачных штрихов на прозрачной пластине, либо шероховатых, рассеивающих штрихов на тщательно отполированной металлической пластине и применяется в проходящем или отраженном свете. Лучшие дифракционные решетки, изготавливающиеся в настоящее время, содержат до 2000 штрихов на 1 мм. Дешевые копии с таких решеток – реплики, получают на желатине или пластмассе.

Дифракционная картина при прохождении света через дифракционную решетку (систему из N щелей) значительно усложняется. Колебания, приходящие от разных щелей, являются когерентными, и для нахождения результирующей амплитуды и интенсивности необходимо знать фазовые соотношения между ними. Условие ослабления колебаний от одной и той же щели (51) является условием ослабления колебаний для каждой щели дифракционной решетки. Его поэтому называют условием главных минимумов:

Кроме того, происходит взаимодействие колебаний одной щели с колебаниями других щелей. Найдем условие, при котором происходит взаимное усиление колебаний, исходящих из всех щелей. Пусть на дифракционную решетку падает нормально монохроматический свет с длиной волны λ (рисунок 18). Как и в случае одной щели, из всех дифрагирующих волн рассмотрим волны, идущие в направлении угла α к нормали:

Рисунок 18

Оптическая разность хода для волн, исходящих из крайних точек соседних щелей (на рисунке 18 это 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4), равна:

, (57)

где а + b = d – период решетки.

Разность фаз для этих же волн определяется соотношением:

. (58)

Для нахождения амплитуды результирующего колебания воспользуемся методом векторных диаграмм. Разобьем каждую щель на отдельные участки - зоны, параллельные краям щели. Амплитуду колебаний, создаваемых одним участком в точке наблюдения, обозначим DA i . Тогда амплитуда результирующих колебаний от всей щели будет равна:

Так как все щели одинаковы и освещаются параллельным пучком лучей, то в точке наблюдения амплитуды результирующих колебаний и от других щелей такие же, т.е.

Поэтому амплитуда результирующего колебания от всех щелей решетки равна их сумме:

Но фазы результирующих колебаний соседних щелей отличаются на Dj (см. условие (58)), поэтому амплитудные вектора располагаются под углом Dj друг к другу, как это показано на рисунке 19, а.

Рисунок 19

Максимальной амплитуда будет в случае, когда амплитудные вектора от каждой щели расположатся вдоль одной прямой (рисунок 19, б),т.е. сдвиг фаз между результирующими колебаниями соседних щелей будет кратен 2p:

где m = 0, 1, 2, …

Условие (60) является условием главных максимумов. Для оптической разности хода оно запишется так (см. (58)):

, (61)

где m – порядок главного максимума, принимает те же значения, что и в условии (60). Наибольший порядок максимума определяется из условия:

Амплитуда результирующих колебаний от всех щелей в этом случае будет равна:

где А 1 a – амплитуда результирующих колебаний от одной щели, идущих в направлении угла α, N – число щелей в решетке.

Так как интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, то интенсивность главных максимумов пропорциональна квадрату числа щелей:

, (62)

где I 1 a – интенсивность колебаний, пришедших в данную точку экрана от одной щели.

Условие наибольшего ослабления колебаний от всех щелей, условие дополнительных минимумов, наблюдается в случае, когда амплитуда результирующих колебаний равна 0, т.е. когда суммарный сдвиг фаз колебаний соседних щелей кратен 2p:

, (63)

а оптическая разность хода волн от крайних точек соседних щелей равна:

, (64)

где n = 1, 2, ..., N – 1, N + 1, …, 2N – 1, 2N + 1, ..., mN – 1, mN + 1, … – порядок дополнительных минимумов, N – число щелей в решетке,

В условиях (63) и (64) n не может быть кратно числу щелей, так как они переходят тогда в условия главных максимумов. Из условий (63) и (64) следует, что между соседними главными максимумами наблюдается N – 1 дополнительный минимум и N – 2 дополнительных максимума.

Распределение интенсивности света, наблюдаемое на экране в фокальной плоскости линзы, стоящей за решеткой с четырьмя щелями, представлено на рисунке 20. Пунктирная кривая дает распределение интенсивности одной щели, умноженной на N 2 , сплошная кривая соответствует распределению интенсивности для дифракционной решетки.

Рисунок 20

В центре картины наблюдается максимум нулевого порядка, вправо и влево от него симметрично располагаются последующие порядки максимумов. Ширина максимума нулевого порядка может быть определена так же, как и ширина максимума для одной щели (см. соотношение (56)):

где α – в данном случае угол, под которым наблюдается первый дополнительный минимум т.е.

. (65)

Из соотношения (65) следует, что чем больше общее число щелей в решетке, тем уже максимум. Это относится не только к главному максимуму нулевого порядка, но и ко всем главным и дополнительным максимумам.

Некоторые главные максимумы не обнаруживаются, так как они совпадают с главными минимумами (в данном случае максимум второго порядка). При большом числе щелей в решетке интенсивность дополнительных максимумов настолько мала, что они практически не обнаруживаются, и на экране наблюдаются только главные максимумы, расположение которых зависит от постоянной решетки и длины волны падающего на решетку монохроматического света.

При освещении решетки белым светом вместо одиночных главных максимумов первого и более высокого порядков появляются спектры (рисунок 21).

Рисунок 21

Максимум нулевого порядка в спектр не разлагается, так как под углом α = 0 наблюдается максимум для любых длин волн. В спектре каждого порядка максимум для более коротких волн наблюдается ближе к нулевому максимуму, для более длинных – дальше от него.

С ростом порядка спектра спектры становятся шире.

Способность дифракционной решетки разлагать падающий на нее немонохроматический свет в спектр характеризуется угловой или линейной дисперсией. Угловая дисперсия решетки характеризуется углом, на который смещается максимум спектральной линии при изменении длины волны на единицу, т.е.

где Δα – угол, на который смещается максимум при изменении длины волны спектральной линии на Δλ.

Угловая дисперсия зависит от порядка спектра m и постоянной решетки d:

. (67)

Формула (67) получена дифференцированием условия главного максимума, т.е. (61). Линейная дисперсия решетки определяется соотношением:

где Dl – расстояние между двумя спектральными линиями, длины волн которых отличаются на Δλ.

Можно показать, что

где F – фокусное расстояние линзы, с помощью которой наблюдается дифракционная картина.

Другой характеристикой решетки является ее разрешающая спосо6ность. Она определяется отношением длины волны в данной области спектра к минимальному интервалу длин волн, разрешаемому с помощью данной решетки:

По условию Рэлея две близкие спектральные линии считаются разрешенными (видны раздельно) (рисунок 22), если максимум одной совпадает с ближайшим минимумом другой, т.е.

отсюда получаем:

. (70)

Разрешающая способность зависит от порядка спектра и общего числа щелей в решетке.

Способность дифракционной решетки разлагать белый свет в спектр дает возможность использовать её в качестве диспергирующего устройства в спектральных приборах.

Рисунок 22

Зная постоянную решетки и измерив угол дифракции, можно определить спектральный состав излучения неизвестного источника излучения. В данной лабораторной работе дифракционная решетка используется для определения длины волны.

Описание установки

Для точного измерения углов дифракции в данной лабораторной работе используется прибор, называемый гониометром. Схематическое устройство гониометра приведено на рисунке 23.

Основные части гониометра: закрепленные на общей оси круг с делениями – лимб, коллиматор, зрительная труба и столик с дифракционной решеткой.

Коллиматор предназначен для создания параллельного пучка лучей. Он состоит из наружного тубуса, в котором закреплена линза Л, и внутреннего с входной щелью S. Ширина щели может регулироваться микрометрическим винтом. Щель располагается в фокальной плоскости линзы Л, поэтому из коллиматора выходит параллельный пучок лучей.

Рисунок 23

Зрительная труба также состоит из двух тубусов: наружного, в котором закреплен объектив М, и внутреннего с закрепленным в нем окуляром N. В фокальной плоскости объектива располагается визирная нить. Если прибор отъюстирован, то визирная нить и изображение освещенной щели коллиматора в поле зрения окуляра видны отчетливо.

Лимб разделен на 360 градусов, расстояние между градусными делениями разделено на две части по 30 минут каждая, т.е. цена деления лимба 30 минут. Для более точного отсчета углов имеется нониус Н, имеющий 30 делений, общая длина которых составляет 29 делений лимба. Поэтому точность деления нониуса Dl равна:

так как ,

где l – цена деления лимба, n – число делений нониуса,

с – цена деления нониуса.

Если цена деления лимба 30 минут и нониус содержит 30 делений, то точность деления нониуса равна одной минуте.

Отсчет угла гониометра производят следующим образом. Отмечают число целых делений по шкале лимба напротив нуля нониуса (отсчет берется от нуля нониуса), затем делают отсчет по шкале нониуса: выбирают такое деление нониуса, которое совпадает с каким-либо делением шкалы лимба. Измеренный угол будет равен:

, (71)

где k – число делений по шкале лимба;

m – число делений нониуса до деления, точно совпадающего с делением шкалы лимба;

l – цена деления лимба;

Δl – точность нониуса.

Для случая, приведенного на рисунке 24, число делений лимба до 0 нониуса 19,5, что соответствует 19 градусам и 30 минутам.

Рисунок 24

Нуль нониуса не совпадает с делениями лимба, совпадает пятое деление нониуса. Следовательно, угол отсчета равен 19 градусам и 35 минутам.

На столике гониометра закреплена дифракционная решетка так, что ее плоскость, обращенная к зрительной трубе, совпадает с диаметром столика. Столик гониометра устанавливается таким образом, чтобы дифракционная решетка была перпендикулярна оси коллиматора. Щель коллиматора освещается ртутной лампой.

Если зрительная труба установлена по оси коллиматора, то в поле зрения видно изображение щели – главный максимум нулевого порядка. При смещении зрительной трубы вправо или влево можно увидеть сначала синюю, затем зеленую и желтую линии спектра первого порядка. При дальнейшем поворачивании зрительнойтрубы в ее полезрения окажутся в той жепоследовательности спектральные линиивторого порядка, затем третьего и т.д.

Для определения угла дифракции какой-либо волны необходимо навести визирную нить зрительной трубы на середину линии соответствующего цвета слева от нулевого максимума, закрепить винт, фиксирующий положение трубы, и произвести отсчет угла, например b 1 , затем, освободив винт, навести визирную нить зрительной трубы на середину линии такого же цвета в том же порядке спектра справа от нулевого максимумаи, закрепив винт, сделать отсчет угла b 2 . Разность отсчетов даст удвоенный угол дифракции (рисунок 25), а угол дифракции будет равен:

Рисунок 25

До сих пор мы рассматривали дифракцию сферических волн , изучая дифракционную картину в точке наблюдения, лежащей на конечном расстоянии от препятствия (дифракция Френеля ).

Тип дифракции, при котором дифракционная картина образуется параллельными пучками , называется дифракцией Фраунгофера . Параллельные лучи проявятся, если источник и экран находятся в бесконечности. Практически используется две линзы: в фокусе одной – источник света, а в фокусе другой – экран.

Хотя принципиально дифракция Фраунгофера не отличается от дифракции Френеля, но практически именно этот случай важен, так как именно этот тип дифракции используется во многих дифракционных приборах (дифракционная решетка, например). Кроме того, здесь математический расчет проще и позволяет решать количественную задачу до конца (дифракцию Френеля мы рассматривали качественно).

Дифракция света на одной щели

Пусть в непрерывном экране есть щель: ширина щели , длина щели (перпендикулярно плоскости листа) (рис. 9.5). На щель падают параллельные лучи света. Для облегчения расчета считаем, что в плоскости щели АВ амплитуды и фазы падающих волн одинаковы.

Разобьем щель на зоны Френеля так, чтобы оптическая разность хода между лучами, идущими от соседних зон, была равна .

Если на ширине щели укладывается четное число таких зон, то в точке (побочный фокус линзы) будет наблюдаться минимум интенсивности, а если нечетное число зон, то максимум интенсивности:

Картина будет симметричной относительно главного фокуса точки . Знак плюс и минус соответствует углам, отсчитанным в ту или иную сторону.

Интенсивность света . Как видно из рис. 9.5, центральный максимум по интенсивности превосходит все остальные.

Рассмотрим влияние ширины щели.

Т.к. условие минимума имеет вид , отсюда

(9.4.3)

Из этой формулы видно, что с увеличением ширины щели b положения минимумов сдвигаются к центру, центральный максимум становится резче.

При уменьшении ширины щели b вся картина расширяется, расплывается, центральная полоска тоже расширяется, захватывая все большую часть экрана, а интенсивность ее уменьшается.

Дифракция света на дифракционной решетке

Одномерная дифракционная решетка представляет собой систему из большого числа N одинаковых по ширине и параллельных друг другу щелей в экране, разделенных также одинаковыми по ширине непрозрачными промежутками (рис. 9.6).

Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей, т.е. в дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей.

Обозначим: b – ширина щели решетки; а – расстояние между щелями; – постоянная дифракционной решетки .

Линза собирает все лучи, падающие на нее под одним углом и не вносит никакой дополнительной разности хода.


Рис. 9.6	Рис. 9.7

Пусть луч 1 падает на линзу под углом φ (угол дифракции ). Световая волна, идущая под этим углом от щели, создает в точке максимум интенсивности. Второй луч, идущий от соседней щели под этим же углом φ, придет в ту же точку . Оба эти луча придут в фазе и будут усиливать друг друга, если оптическая разность хода будет равна m λ:

Условие максимума для дифракционной решетки будет иметь вид:

(9.4.4)

где m = ± 1, ± 2, ± 3, … .

Максимумы, соответствующие этому условию, называются главными максимумами . Значение величины m , соответствующее тому или иному максимуму называется порядком дифракционного максимума.

В точке F 0 всегда будет наблюдаться нулевой или центральный дифракционный максимум .

Так как свет, падающий на экран, проходит только через щели в дифракционной решетке, то условие минимума для щели и будет условием главного дифракционного минимума для решетки :

(9.4.5)

Конечно, при большом числе щелей, в точки экрана, соответствующие главным дифракционным минимумам, от некоторых щелей свет будет попадать и там будут образовываться побочные дифракционные максимумы и минимумы (рис. 9.7). Но их интенсивность, по сравнению с главными максимумами, мала (≈ 1/22).

При условии ,

волны, посылаемые каждой щелью, будут гаситься в результате интерференции и появятся дополнительные минимумы .

Количество щелей определяет световой поток через решетку. Чем их больше, тем большая энергия переносится волной через нее. Кроме того, чем больше число щелей, тем больше дополнительных минимумов помещается между соседними максимумами. Следовательно, максимумы будут более узкими и более интенсивными (рис. 9.8).

Из (9.4.3) видно, что угол дифракции пропорционален длине волны λ. Значит, дифракционная решетка разлагает белый свет на составляющие, причем отклоняет свет с большей длиной волны (красный) на больший угол (в отличие от призмы, где все происходит наоборот).

Это свойство дифракционных решеток используется для определения спектрального состава света (дифракционные спектрографы, спектроскопы, спектрометры).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Дифракционная решетка - это простейший спектральный прибор, состоящий из системы щелей (прозрачных для света участков), и непрозрачных промежутков, которые сравнимы с длиной волны.

Одномерная дифракционная решетка, состоит из параллельных щелей одинаковой ширины, которые лежат в одной плоскости, разделяемых одинаковыми по ширине непрозрачными для света промежутками. Лучшими считаются отражательные дифракционные решетки. Они состоят из совокупности участков, отражающих свет и участков, которые свет рассеивают. Данные решетки представляют собой отшлифованные металлические пластины, на которые рассеивающие свет штрихи нанесены резцом.

Картиной дифракции на решетке — является результат взаимной интерференции волн, идущих ото всех щелей. С помощью дифракционной решетки реализуется многолучевая интерференция когерентных пучков света, подвергшихся дифракции и которые идут от всех щелей.

Характеристикой дифракционной решетки служит ее период. Периодом дифракционной решетки (d) (ее постоянной) называют величину, равную:

где a — ширина щели; b — ширина непрозрачного участка.

Дифракция на одномерной дифракционной решетке

Допустим, что перпендикулярно к плоскости дифракционной решетки падает световая волна с длиной . Так как щели у решетки расположены на равных расстояниях друг от друга, то разности хода лучей (), идущих от двух соседних щелей, для направления будут одинаковы для всей рассматриваемой дифракционной решетки:

Главные минимумы интенсивности наблюдаются в направлениях, определенных условием:

Кроме главных минимумов, в результате взаимной интерференции лучей света, которые идут от двух щелей, в некоторых направлениях лучи гасят друг друга. В результате возникают дополнительные минимумы интенсивности. Они появляются в тех направлениях, где разность хода лучей составляют нечетное число полуволн. Условием дополнительных минимумов является формула:

где N - количество щелей дифракционной решетки; — целые значения кроме 0, В том случае, если решетка имеет N щелей, то между двумя главными максимумами находятся дополнительный минимум, которые разделяют вторичные максимумы.

Условием главных максимумов для дифракционной решетки является:

Величина синуса не может быть больше единицы, то количество главных максимумов:

Примеры решения задач по теме «Дифракционная решетка»

ПРИМЕР 1

Задание

На дифракционную решетку, перпендикулярно ее поверхности падает монохроматический пучок света с длиной волны . На плоский экран картина дифракции проецируется при помощи линзы. Расстояние между двумя максимумами интенсивности первого порядка составляет l. Какова постоянная дифракционной решетки, если линза размещена в непосредственной близости от решетки и расстояние от нее до экрана равно L. Считайте, что

Решение

В качестве основы для решения задачи используем формулу, которая связывает постоянную дифракционной решетки, длину волны света и угол отклонения лучей, который соответствует дифракционному максимуму номер m:

По условию задачи Так как угол отклонения лучей можно считать малым (), то примем, что:

Из рис.1 следует, что:

Подставим в формулу (1.1) выражение (1.3) и учтем, что , получим:

Из (1.4) выразим период решетки:

Ответ

ПРИМЕР 2

Задание

Используя условия примера 1, и результат решения, найдите количество максимумов, которое даст рассматриваемая решетка.

Решение

Для того чтобы определить максимальный угол отклонения лучей света в нашей задаче найдем число максимумов, которое может дать наша дифракционная решетка. Для этого используем формулу:

где положим, что при . Тогда, получим: