Использование волновых свойств света. Дифракционная решетка

Волновая природа света уже доказана давно. Для решения практических задач зачастую пользуются принципами геометрической оптики, но и волновые свойства света весьма широко используются в самых различных отраслях современной науки и техники. Примером тому является дифракция. Способность волны огибать препятствия, которые встречаются ей на пути, присуща и свету. Это явление проявляется, когда волны попадают в область так называемой геометрической тени. Объяснение явлению дифракции даёт принцип Гюйгенса. Согласно этому объяснению каждая точка, встающая на пути волны, становится центром для вторичных волн. В огибающей этих волн задается положение волнового фронта для каждого следующего момента времени.

В примере с плоской волной, нормально падающей на отверстие, сделанное в непрозрачном экране, по теории Гюйгенса, каждой точке, которая выделяется отверстием участка волнового фронта, присуща способность становиться источником вторичных волн (в однородной изотропной среде они сферические).

Достаточно построить огибающую вторичных волн на определённый момент времени, чтобы легко проследить явление огибания волной края отверстия. Это объясняется тем, что фронт волны входит в область так называемой геометрической тени.

Использование свойства дифракции нашло широкое применение в приборе, получившем название дифракционная решетка. В своих первоначальных опытах с дифракцией света Джеймс Грегори использовал обычное птичье перо. Впоследствии его заменил специфический оптический прибор. Дифракционная решетка представляет собой нанесённую на определённую поверхность совокупность значительного числа штрихов, расположенных регулярно. Ими могут быть как щели, так и выступы, в зависимости от вида, к которому относится конкретная дифракционная решётка.

Различают два вида решёток – отражательные и прозрачные. К первым относятся приборы, которые используют отражательную поверхность с нанесёнными штрихами. Вторые используют прозрачные поверхности, здесь могут применяться как штрихи, так и щели.

Принцип действия дифракционной решетки объясняется непосредственно волновыми свойствами света. Для разбивания фронта световой волны используются штрихи решётки. В результате образуются отдельные пучки так называемого когерентного света. Претерпев дифракцию на штрихах, они интерферируют друг с другом. Учитывая то, что волны различной длины создают максимумы интерференции под совершенно разными углами (определяются разностью хода для интерферирующих лучей), получают на выходе разложенный в спектр белый свет.

Дифракционная решетка как прибор находит применение в самых различных сферах человеческой жизнедеятельности. Её используют и в спектральных приборах, и как оптические датчики угловых (линейных) перемещений, и как поляризаторы или как фильтры инфракрасного излучения. Также это могут быть делители пучков для интерферометров или стёкла «антибликовых» очков.

Имеется дифракционная решетка и для рентгеновских лучей. Создать её технически оказалось невыполнимой задачей. Для решения этой проблемы учёные пошли оригинальным путём. Для разложения рентгеновских лучей применяются кристаллические решётки некоторых кристаллов.

Как основная характеристика рассматривается разрешающая способность дифракционной решетки. Она представляет собой полное число линий в решетке, которое умножено на порядок максимума луча. Это выражение ещё можно представить как утверждение, что для разности частот характерно равенство с обратной величиной разности временных отрезков прохождения самых крайних лучей, именуемых интерферирующими.

В быту наглядным примером дифракционной решётки может послужить компакт- диск или граммофонная пластинка. Но для изготовления промышленных приборов используется высокотехнологическое оборудование, обладающее высокой точностью.