Для чего используют дифракционную
Дифракция света: описание, применение, примеры
Содержание:
В дифракция света это название, данное искажению светового луча, когда он попадает в небольшой объект или небольшое отверстие в экране. Именно итальянец Франческо Мария Гримальди дал название этому явлению дифракцией и первым изучил его в 1665 году.
Когда объект или прорезь, которые перехватывают световой луч, имеют размер порядка десятых долей миллиметра или меньше, проецируемая тень не является точной. Скорее, он рассеивается вокруг того, что должно быть его геометрической тенью. Это связано с тем, что луч света отклоняется и распространяется по краям препятствия.
На рисунке выше показан очень специфический образец чередования светлых и темных областей. Он создается светом лазерного указателя (длина волны 650 нм), проходящим через квадратную щель размером 0,1 мм x 0,1 мм и проецируемым на экран.
Это явление формирования рисунка также наблюдается в звуковых волнах и волнах на поверхности воды, а также в радиоволнах и рентгеновских лучах. Вот почему мы знаем, что это в высшей степени волновое явление.
Описание явления дифракции.
В монохроматическом световом луче (содержащем одну длину волны), таком как лазерный свет, дифракция падающего светового луча на препятствии образует узор из светлых и темных полос при проецировании на экран.
Такое расположение светлых и темных участков называетсядифракционная картина.
Дифракция объясняется классическим способом, согласно Принцип Френеля-Гюйгенса.
Это происходит из-за наложения сферических волн, исходящих от края препятствия и других точек волнового фронта, примыкающего к краям, таким образом, что возникает интерференция между волнами, исходящими от этого набора вторичных источников.
Когда две или более волны совпадают в одном месте в пространстве, между ними возникает интерференция. Тогда может случиться так, что их соответствующие амплитуды складываются или вычитаются, после чего каждая из них идет своим путем.
Все зависит от того, совпадают ли волны по фазе. Если это так, амплитуды складываются, в то время как в тех местах, где волны находятся в противофазе или противофазе, амплитуда уменьшается или отменяется.
Поэтому на дифракционной картине есть светлые и темные участки.
В отличие от явления световой интерференции, при котором количество источников волн равно двум или трем, в случае дифракции количество вторичных источников сферических волн очень велико и имеет тенденцию образовывать континуум источников.
Волновая интерференция при дифракции более заметна, если источник имеет одну длину волны и все фотоны, составляющие световой луч, находятся в фазе, как в случае со светом от лазера.
Применение дифракции света
Обнаружение дефектов или трещин на поверхностях
В спекл-интерферометрия это одно из практических приложений явления дифракции света.
Когда поверхность освещается лазерным светом, волновые фронты света, отраженного от поверхности, находятся в фазе, но становятся не в фазе после прохождения своего пути к пластине или экрану, на котором записано изображение.
Здесь образуется пятнистая дифракционная картина (пятнышко на английском языке), который дает информацию о поверхности, от которой исходят отраженные фотоны.
Таким образом можно обнаружить дефекты или трещины в детали, которые не видны невооруженным глазом.
Улучшение фотографического изображения
Знание дифракционных картин, присутствующих на фотографических или цифровых изображениях астрономических объектов: звезд или астероидов, позволяет улучшить разрешение астрономических изображений.
Этот метод заключается в сборе большого количества изображений одного и того же объекта, которые по отдельности имеют низкую четкость или яркость.
Затем при вычислительной обработке и извлечении шума из дифракции они приводят к изображению с более высоким разрешением.
Так можно показать детали, которые ранее были замаскированы на оригиналах именно из-за дифракции света.
Повседневные примеры дифракции
Радуга
Радуга возникает в основном из-за наложения преломленных и отраженных волн внутри мелких капель воды.
Они составляют очень большой набор вторичных источников света, волны которых интерферируют, образуя красочный радужный узор, которым мы так восхищаемся после дождя.
Цвета компакт-диска
Свет, отражающийся от компакт-диска или DVD, также образует яркие красочные узоры. Они берут свое начало в явлении дифракции света, отраженного субмиллиметровыми канавками, составляющими дорожки.
Голограммы
Голограмма, которая часто встречается на кредитных картах и фирменных товарах, образует трехмерное изображение.
Это связано с наложением волн, исходящих от бесчисленных печатных отражающих точек. Эти точки не распределены случайным образом, а образованы дифракционной картиной исходного объекта, который был освещен лазерным светом, а затем выгравирован на фотографической пластине.
Ореолы вокруг светящихся тел
Иногда вокруг Солнца или Луны можно увидеть ореолы или кольца.
Они образуются благодаря тому, что свет, исходящий от этих небесных тел, отражается или отражается в бесчисленном количестве частиц или кристаллов, образующихся в верхних слоях атмосферы.
Они, в свою очередь, действуют как вторичные источники, и их суперпозиция дает начало дифракционной картине, которая образует небесное гало.
Цвета мыльных пузырей
Переливчатость некоторых поверхностей, таких как мыльные пузыри или полупрозрачные крылья некоторых насекомых, объясняется дифракцией света. На этих поверхностях тона и цвета наблюдаемого света меняются в зависимости от угла наблюдения.
Фотоны, отраженные в тонких полупрозрачных слоях, составляют большой набор источников света, которые конструктивно или деструктивно мешают.
Таким образом, они образуют узоры, соответствующие разным длинам волн или цветам, из которых состоит свет от исходного источника.
Таким образом, наблюдаются только длины волн с определенных путей: те, которые идут от отраженных точек к глазу наблюдателя, и которые имеют полную разницу в длинах волн.
Длины волн, которые не соответствуют этому требованию, исключаются и не наблюдаются.
Ссылки
8 распространенных привычек, убивающих нейроны
Монетаризм: происхождение, характеристики, представители, достоинства
Что такое дифракционная решетка: определение, длина и принцип действия
Одним из важных оптических приборов, нашедших свое применение при анализе спектров излучения и поглощения, является дифракционная решетка. В данной статье приведена информация, позволяющая понять, что такое дифракционная решетка, в чем заключается принцип ее работы и как самостоятельно можно рассчитать положение максимумов на дифракционной картине, которую она дает.
Дифракция и интерференция
В начале XIX столетия английский ученый Томас Юнг, изучая поведение монохроматического пучка света при его разделении пополам тонкой пластиной, получил дифракционную картину. Она представляла собой последовательность ярких и темных полос на экране. Используя представления о свете, как о волне, Юнг правильно объяснил результаты своих опытов. Картина, которую он наблюдал, возникала благодаря явлениям дифракции и интерференции.
Под дифракцией понимают искривление прямолинейной траектории распространения волны, когда она попадает на непрозрачное препятствие. Дифракция может проявляться в результате огибания волной препятствия (такое возможно, если длина волны намного больше препятствия) либо в результате искривления траектории, когда размеры препятствия сравнимы с длиной волны. Примером для последнего случая является проникновение света в щели и небольшие круглые отверстия.
Вам будет интересно: Цвет и запах соли
Явление интерференции заключается в накладывании одних волн на другие. Результатом такого накладывания является искривление синусоидальной формы результирующей волны. Частными случаями интерференции являются либо максимальное усиления амплитуды, когда две волны приходят в рассматриваемую зону пространства в одной фазе, либо полное затухание волнового процесса, когда обе волны встречаются в данной зоне в противофазе.
Описанные явления позволяют понять, что такое дифракционная решетка и как она работает.
Дифракционная решетка
Уже само название говорит, что такое дифракционная решетка. Она представляет собой объект, который состоит из периодически чередующихся прозрачных и непрозрачных полос. Получить ее можно, если постепенно увеличивать число щелей, на которые падает волновой фронт. Это понятие в общем случае применимо для любой волны, однако использование оно нашло только для области видимого электромагнитного излучения, то есть для света.
Дифракционную решетку принято характеризовать тремя главными параметрами:
Прозрачные и отражающие решетки
Вам будет интересно: Период полураспада цезия-137. Биологические свойства цезия
Выше было описано, что такое дифракционная решетка. Теперь ответим на вопрос о том, что в действительности она собой представляет. Существуют два вида таких оптических объектов: прозрачные и отражающие.
Принцип работы решетки
Для примера рассмотрим прозрачный оптический прибор. Предположим, что на дифракционную решетку падает свет, имеющий плоский фронт. Это очень важный момент, поскольку приведенные ниже формулы учитывают, что волновой фронт является плоским и параллельным самой пластинке (дифракция Фраунгофера). Распределенные по периодическому закону штрихи вносят в этот фронт возмущение, в результате которого на выходе из пластинки создается ситуация, будто работают множество вторичных когерентных источников излучения (принцип Гюйгенса-Френеля). Эти источники приводят к появлению дифракции.
От каждого источника (щели между штрихами) распространяется волна, которая является когерентной всем остальным N-1 волнам. Теперь предположим, что на некотором расстоянии от пластинки помещается экран (расстояние должно быть достаточным, чтобы число Френеля было намного меньше единицы). Если смотреть на экран вдоль перпендикуляра, проведенного к центру пластинки, то в результате интерференционного наложения волн от этих N источников для некоторых углов θ будут наблюдаться яркие полосы, между которыми будет тень.
Поскольку условие интерференционных максимумов является функцией длины волны, то если падающий на пластинку свет был белым, на экране будут появляться разноцветные яркие полосы.
Основная формула
Как было сказано, падающий плоский фронт волны на дифракционную решетку отображается на экране в виде ярких полос, разделенных областью тени. Каждая яркая полоса называется максимумом. Если рассмотреть условие усиления волн, приходящих в рассматриваемую область в одинаковой фазе, то можно получить формулу максимумов дифракционной решетки. Она имеет следующий вид:
Зная период решетки d и длину волны λ, которая падает на нее, можно рассчитать положение всех максимумов. Отметим, что вычисленные по формуле выше максимумы называются главными. В действительности между ними существует целый набор более слабых максимумов, которые часто в эксперименте не наблюдаются.
Не стоит думать, что от ширины каждой щели на дифракционной пластинке картина на экране не зависит. Ширина щели не влияет на положение максимумов, однако она влияет на их интенсивность и ширину. Так, с уменьшением щели (с увеличением числа штрихов на пластинке) снижается интенсивность каждого максимума, а его ширина увеличивается.
Дифракционная решетка в спектроскопии
Разобравшись с вопросами о том, что такое дифракционная решетка и как находить максимумы, которые она дает на экране, любопытно проанализировать, что будет происходить с белым светом, если им облучить пластинку.
Выпишем снова формулу для главных максимумов:
Если рассматривать конкретный порядок дифракции (например, m = 1), то видно, что чем больше λ, тем дальше от центрального максимума (m = 0) будет находиться соответствующая яркая линия. Это означает, что белый свет расщепляется на ряд цветов радуги, которые отображаются на экране. Причем, начиная от центра, сначала будут появляться фиолетовый и синий цвета, а затем будут идти желтый, зеленый и самый дальний максимум первого порядка будет соответствовать красному цвету.
Свойство дифракционной решетки длины волн используется в спектроскопии. Когда необходимо узнать химический состав светящегося объекта, например, далекой звезды, то ее свет собирают зеркалами и направляют на пластинку. Измеряя углы θm, можно определить все длины волн спектра, а значит, и химические элементы, которые их излучают.
Ниже приводится видео, которое демонстрирует способность решеток с разным числом N расщеплять свет от лампы.
Понятие «угловая дисперсия»
Под этой величиной понимают изменения угла возникновения максимума на экране. Если изменить на небольшую величину длину монохроматического света, то получим:
Если левую и правую части равенства в формуле для главных максимумов продифференцировать по θm и λ соответственно, то можно получить выражение для дисперсии. Оно будет равно:
Дисперсию необходимо знать при определении разрешающей способности пластинки.
Что такое разрешающая способность?
Говоря простыми словами, это способность дифракционной решетки разделять две волны с близкими значениями λ на два отдельных максимума на экране. Согласно критерию лорда Рэлея, две линии можно различить, если угловая дистанция между ними окажется больше половины их угловой ширины. Полуширина линии определяется по формуле:
Различие между линиями в соответствии с критерием Рэлея возможно, если:
Подставляя формулу для дисперсии и полуширины, получаем конечное условие:
Разрешающая способность решетки повышается с увеличением числа щелей (штрихов) на ней и с ростом порядка дифракции.
Решение задачи
Применим полученные знания для решения простой задачи. Пусть на дифракционную решетку падает свет. Известно, что длина волны равна 450 нм, а период решетки составляет 3 мкм. Какой максимальный порядок дифракции можно наблюдать на кране?
Для ответа на вопрос следует подставить данные в уравнение решетки. Получаем:
Так как синус больше единицы быть не может, тогда получаем, что максимальный порядок дифракции для указанных условий задачи равен 6.
Дифракционная решетка: как это работает
Изучение одного из самых распространенных физических явлений – дифракции – привело к возникновению такого устройства, как дифракционная решетка.
В России крупнейший производитель дифракционной оптики – «Швабе» Госкорпорации Ростех. Дифракционные решетки холдинга сегодня функционируют во многих оптических приборах, и не только у нас в стране, но и за рубежом.
Дифракционная решетка: как увидеть радугу
Дифракционная решетка – это оптический прибор, представляющий собой поверхность, на которую нанесено большое число параллельных, равноотстоящих друг от друга микроскопических штрихов (щелей или выступов). Уже из самого названия прибора понятно, что он работает по принципу дифракции света – явления отклонения света от прямолинейного распространения при встрече с препятствием.
У электромагнитных волн, составляющих свет, разный эффект интерференции, или по-простому способности огибать препятствия. Проходя через дифракционную решетку, световые волны огибают препятствия решетки (штрихи, щели или выступы) с разным углом отклонения. Для каждой длины волны существует свой угол дифракции, и белый свет раскладывается штрихами решетки в спектр, то есть в радугу. Кстати, эффект радуги основан на таком же принципе, только в роли решетки – капельки воды.
В природе можно обнаружить и множество других естественных дифракционных решеток. Примером грубой дифракционной решетки можно считать ресницы. Смотря на свет сквозь прищуренные веки, можно в какой-то момент увидеть спектральные линии. А физик Джеймс Грегори, который впервые применил дифракционную решетку, использовал в этом качестве птичье перо. Благодаря очень тонкой структуре через перо можно пропустить солнечный свет и увидеть его разложение на спектр.
Изготовление: 3600 штрихов на миллиметр
Сегодня дифракционную решетку можно сделать самому из более современных материалов, например DVD-диска. Шаг между штрихами такой решетки составляет 0,74 мкм. Это намного более впечатляющий результат по сравнению с самой первой искусственной дифракционной решеткой в мире, которая появилась в 1875 году: она состояла из 50 натянутых волосков с расстоянием между ними в 250 мкм.
Число штрихов современной дифракционной решетки может доходить до 3600 на один миллиметр, и процесс изготовления такого устройства требует очень высокой точности. Если хоть одна щель из множества будет нанесена с ошибкой, то решетка будет забракована. Нарезание решетки длится до 7 суток, хотя время нанесения штриха составляет 3 секунды.
Существуют два вида дифракционных решеток: прозрачные и отражательные. Прозрачная решетка – это стеклянная тонкая пластинка или пластинка из прозрачного пластика, на которую нанесены штрихи. Штрихи дифракционной решетки являются препятствием для света, через них он не может пройти. Оставшиеся между штрихами прозрачные зазоры играют роль щелей. При выполнении лабораторных работ чаще используют этот вид решеток.
Отражательная решетка – это металлическая или пластиковая отполированная пластинка, на которую вместо штрихов нанесены бороздки определенной глубины. Такие решетки часто используют при анализе спектров излучения. Вышеупомянутый DVD-диск – яркий пример этого вида дифракционной решетки: расположив его перед глазом, можно найти на нем спектр.
Практическое применение: от ДНК до далекой звезды
Дифракционные решетки широко применяются в различных оптических устройствах: спектральных приборах для получения монохроматического света (монохроматоры, спектрофотометры и др.), в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений, для поляризаторов и оптических фильтров и даже в так называемых антибликовых очках.
Дифракционные решетки нашли свое применение во многих научных исследованиях. Например, этот прибор лег в основу рентгеноструктурного анализа – самого распространенного метода определения структуры вещества. Этот способ заключается в измерении параметров кристаллической решетки посредством дифракции рентгеновских лучей. То есть в данном случае дифракционная решетка используется не для определения длины волны света, а для обратной задачи – нахождения по длине волны постоянной решетки (расстояния между штрихами).
В настоящее время широко используют рентгеноструктурный анализ биологических молекул и систем. Так, например, по данным, полученным этим методом, из нескольких возможных химических формул пенициллина была выбрана одна. В свое время этим методом были с успехом исследованы такие высокополимерные соединения, как каучук, целлюлоза, многие полиамиды и т.д. Именно с помощью рентгеноструктурного анализа американец Джеймс Уотсон и англичанин Френсис Крик установили структуру молекулы ДНК (двойная спираль), за что и были удостоены в 1962 году Нобелевской премии.
Сегодня изделия дифракционной оптики применяются для научных исследований в области экологии. Например, в составе гиперспектральных камер для оценки качества воздуха. С их помощью определяют состав и состояние объекта съемки, фиксируя спектральные характеристики каждого пикселя на изображении.
Государственный институт прикладной оптики (ГИПО) холдинга «Швабе» – крупнейший производитель дифракционной оптики в России – поставляет для этих целей решетки и за рубеж. Только за прошлый год было поставлено более 400 изделий в Германию, Ирландию, Норвегию, Словакию и другие страны.
Дифракционная решетка шагнула и далеко за пределы Земли. С ее помощью, например, можно узнать химический состав далеких звезд. Свет, идущий от звезды, собирают зеркалами и направляют на решетку. Таким образом можно узнать все длины волн спектра, а значит, и химические элементы, которые их излучают.
События, связанные с этим
Облакомер: дотянуться до облаков
Звезда по имени Солнце: о совместном проекте «Швабе» и РАН
Дифракция света
Что такое дифракция света
Дифракция света — явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.
Изначально под ней подразумевалось преломление световой волной препятствия. Однако сегодня данное толкование считается частичным. С более подробным изучением передвижения волны света под дифракцией стали подразумеваться разнообразные формы распространения света в неоднородной среде. Это может быть, как огибание препятствия, так и преломление волны из-за него. Кроме того, свет может переходить от точки к точке постепенно. Это образует криволинейный волновой пучок, что связано не с дифракцией, а с геометрической оптикой.
Таким образом, в волновой теории под дифракцией понимается любое отклонение от норм геометрической оптики. Суть процесса заключается в том, что свет при входе в геометрическую тень огибает препятствие.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Где применяется, принцип Гюйгенса – Френеля
Принцип Гюйгенса заключается в следующем: все, что находится по близости распространения света, является причиной появления новых сферических волн. Сформированные волны рассеиваются от встретившейся точки во всех направлениях, как от излучаемого свет центра. В результате этого происходит их наложение друг на друга.
Теория Гюйгенса была дополнена Френелем. Ученый доказал, что полученная от столкновения с препятствием волна является реальной. В комплексе они интерферируют, то есть взаимодействуют друг с другом. От этого становятся сильнее, что позволяет им распространяться не только вперед, но и назад. Во время движения назад происходит контакт с первоисточником. В результате чего начинается угасание всех световых волн.
Получается, что вторичные волны усиливаются при направлении вперед, а в местах ослабления будут заметны темные участки пространства.
В подобных случаях очевидно появление дифракции на отверстии, поскольку волна огибает его края по направлению к области геометрической тени. Это объясняется тем, что отверстие вырезает светящийся диск, соразмерный его диаметру. Дальнейшее световое поле — это процесс взаимодействия волны вторичных источников, полученных на диске отверстия. В результате этого ход лучей искривляется, поскольку искривленная волна рассеивается в разных направлениях, что не совпадает с первоначальным движением.
Качество волны света, возникшей от разных точек, зависит от фазы и угла отклонения лучей. Это приводит к чередованию максимумов и минимумов.
Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны. А результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.
Условия для возникновения дифракции
Главным условием для возникновения дифракции является наличие препятствия и первоисточника света.
Длина препятствия не должна быть больше длины волны. В противном случае волна просто рассеется или будет заметна только вблизи. Чтобы можно было заметить постоянную картину дифракции, волны должны быть от разных источников. Этого добиться несложно: достаточно иметь один источник света и несколько препятствий. Когда волна попадает на препятствие, она становится новым световым источником. В результате данного взаимодействия световых волн от разных препятствий можно получить устойчивую дифракционную картину.
Таким образом, для возникновения дифракции длина световой волны должна быть соразмерна длине препятствия. Если размеры препятствия больше длины волны, то образуется тень, поскольку волны за нее не проникают. Если размер препятствия слишком мал, то свет с ним не взаимодействует. Чем меньше отверстие препятствия, тем быстрее световая волна расходится в стороны.
Получается, что дифракционное изображение напрямую связано с геометрическими особенностями препятствия.
Где можно наблюдать в природных условиях
Яркие примеры прохождения света через препятствие можно встретить в природе. Речь идет о случаях, когда облака прикрывают солнце или луну. Солнечный свет не может продолжить прямолинейное движение сквозь призму возникшего препятствия. В результате этого лучи преломляются и образуют дугу вокруг самого светила. Кроме того, в зависимости от структуры облака, свет может рассеиваться сквозь дождевые капли. Картина преломления при этом будет представлена разноцветным сиянием.
Радуга на небе или блики масляного пятна на воде также являются примером преломления световой волной препятствия в природных условиях.
Если смотреть на пылающее пламя сквозь запотевшее окно, то можно заметить, как огонь начинает неестественно двигаться в разных направлениях. При этом он окружается разноцветным ореолом, что тоже объясняется световым преломлением препятствия.
Что такое дифракционная решетка
Сфера отклонения света от прямолинейного направления нашла свое применение в повседневной жизни. Примером тому служит светоотражение на CD или DVD дисках. На первый взгляд отражение напоминает радугу. Но при более подробном изучении становится очевидным, что характеристика данного светоотражения имеет достаточно сложную структуру. На диск наносятся на одинаковом расстоянии друг от друга дорожки. Это создает совокупность щелей. При попадании на них света происходит дифракция. Она становится причиной появления световой радуги.
Дифракционная решетка — это совокупность многочисленных щелей и расстояний между ними.
Изображение на решетке является взаимодействием волн света, которые произошли от всех имеющихся щелей одновременно. В физике этот процесс называется многолучевой интерференцией.
Наиболее сложным образцом световой дифракции считается голограмма на кредитных картах. Это связано с наличием на ней дифракционной решетки более сложного вида. В центре голограммы имеется яркое световое кольцо. При попадании на него света можно получить отражение в виде луны или солнца. Это обусловлено игрой света и тени: при попадании света голограммы на тень от пластика образуется некая световая волна.
Связь дифракции и разрешающей способности оптических приборов
Дифракция света считается ограничителем разрешения для оптических приборов: телескопа, микроскопа. В том числе и для человеческого глаза.
Размер препятствий должен быть намного больше длины волны света. Кроме того, рассматривается преломление световой волны препятствия на круглом отверстии.
В качестве примера возьмем 2 звезды на небе. Звездный свет попадает в глаз через зрачок. Таким образом, на сетчатке глаза обе звезды сформируют 2 картины. Они представлены двумя центральными максимумами. Если свет будет падать под определенным углом, то звезды сольются в одну звезду.
Получается, что разрешение можно увеличить или уменьшить, если изменить диаметр объектива или сократить длину волны.
Принцип увеличения используют в телескопах, что позволяет уменьшению рассматриваемого объекта до удобных для рассматривания размеров. Уменьшение объектива используют в изготовлении микроскопов. Это позволяет увеличить маленький элемент до удобных для рассматривания размеров.