Дифракция световых волн

Рис. 1. Геометрическая иллюстрация дифракции света

Условно границы длин волн видимого излучения определяются диапазоном 0,40 – 0,78 мкм. Современная оптика содержание термина «свет» трактует более широко, включая в это понятие и те области излуче­нии, которые непосредственно примыкают к видимому диапазону элек­тромагнитных волн. Отчасти этот факт связан с успехами прикладной оптики в сфере преобразования информации, получаемой с помощью инфракрасных и ультрафиолетовых излучений. Здесь имеется в виду, в частности, метод визуализации объектов, регистрируемых в этих диапазонах волн.

Дифракция – явление, характерное для всех волновых процессов, и поэтому наблюдение дифракции световых лучей послужило наглядным основанием для утверждения волновой теории света. Ди­фракция заключается в отклонении пучков волн от прямолинейного распростране­ния и наблюдается практически при прохождении волн через отверс­тия в экранах или в пространстве экранирующих объектов, когда их размеры сравнимы с длиной волны. Однако нельзя сказать, что ди­фракция не будет наблюдаться на объектах, значительно превышающих по своим размерам длину световой волны. В этом случае дифракцион­ная картина будет локализоваться очень далеко и может оказаться недоступной для наблюдения. Поясним сказанное. Если размеры экра­нирующего свет объекта составляют сотые доли миллиметра, то дифракционная картина может быть локализована в пределах небольшого лабораторного пространства, если же в качестве экранирующего объ­екта взять диск диаметром 10 см, то дифракционная картина локали­зуется на расстоянии порядка 1 км.

На возможность геометрической интерпретации дифракции указывает принцип Гюйгенса. Пусть на непрозрачный экран с отверстием падает параллельный пучок света, которому соответствует плоский фронт волны (рис.1). Открытая часть, волнового фронта может рассматриваться как совокупность огромного числа виртуальных (от латинского virtual – возможный, вероятный) источников вторичных элементарных волн. Согласно принципу Гюйгенса новый фронт волны определится как огибающая всех элементарных фронтов волн. Даль­нейшее направление распространения волны определится направления­ми нормалей к волновому фронту. Из рис.1 мы видим, что свет попа­дает в область геометрической тени. Однако, указывая на геометри­ческую возможность дифракции, принцип Гюйгенса не позволяет про­вести аналитическое исследование дифракционной картины.

Анализ состояния светового поля за препятствием может быть выполнен на основе принципа Гюйгенса-Френеля, суть которого состоит в том, что световое колебание в точке пространства определя­ется как результат сложения колебаний от отдельных участков открытой части волнового фронта с учетом их фазы и амплитуды.

Указанный принцип, таким образом, утверждает тесную взаимо­связь интерференции и дифракции. Строго говоря, последние явля­ются двумя гранями одного явления: различие между ними может ока­заться чисто условным.

Обычно под интерференцией понимается процесс стационарного перераспределения энергии в световом поле двух когерентных источ­ников, тогда как под дифракцией понимается интерференция от бесчисленного множества когерентных источников света (в особую груп­пу выделяется случай многолучевой интерференции).

И, наконец, последнее замечание. Почему явление дифракции необходимо изучать в техническом вузе? Дело в том, что с дифракционными явлениями мы широко сталки­ваемся в инженерной практике при расчетах антенных устройств и в задачах распространения радиоволн, при конструировании дифракци­онных спектральных приборов, в задачах рентгеновского фазового и структурного анализа вещества, при оценке пределов возможностей оптических приборов.