Дифракция света Дифракция света Проявления дифракции: волны заходят

Дифракция света

Дифракция света Проявления дифракции: волны заходят в область геометрической тени Дифракция света При условии размеры препятствий сравнимы с длиной волны огибание световыми волнами препятствий Виды дифракции дифракция Френеля в расходящихся лучах (сферических волн) дифракция Фраунгофера в параллельных лучах (∞ удаленный источник) совокупность явлений, возникающих при прохождении света вблизи границ с резкими неоднородностями лат. diffractus – разломанный, переломанный дифракция выражена наиболее сильно

Объяснение явления дифракции Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным Томас Юнг Первое качественное объяснение явления дифракции Огюсте́н Жан Френе́ль Количественная теория дифракционных явлений на основе волновых представлений Независимо от Т.Юнга 1818 г. В основе теории Френеля принцип Гюйгенса, дополненный идеей об интерференции вторичных волн принцип Гюйгенса-Френеля Каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн Исаак Ньютон (1642-1727 Англия) Томас Юнг (1773-1829 Англия) Огюсте́н Жан Френе́ль (1788-1827 Франция) Христиан Гю́йгенс ван Зёйлихем 1629-1695 Нидерланды Амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками Все вторичные источники на поверхности фронта волны, когерентны между собой

Волновой принцип Гюйгенса Каждая точка пространства, до которой доходит фронт волны, становится точечным источником света, излучающим сферическую волну Огибающая (новый волновой фронт) Вторичные волны - когерентные Первичный волновой фронт явление дифракции объясняет лишь КАЧЕСТВЕННО Огибающая всех вторичных волн представляет собой фронт действительно распространяющейся волны

Дополнения Френеля к принципу Гюйгенса Вторичные источники не точечные, а элементы фронта волны площадью dS Вторичные источники dS – когерентные и результат их действия на точку Р есть результат их интерференции Площадка фронта волны dS создает в точке P напряженность ЭП: Принцип Гюйгенса-Френеля позволяет объяснить дифракцию КОЛИЧЕСТВЕННО и решить любую задачу на дифракцию света dE ~ dS dE ~ A0 A0 – амплитуда световой волны в месте, где находится площадка dE ~ α α – угол между нормалью к площадке dS и направлением на точку P r – расстояние от площадки dS до точки P dE ~ 1/r

Дифракция Френеля Дифракция от круглого отверстия Дифракция в расходящихся световых пучках, когда дифракционная картина наблюдается на конечном расстоянии от препятствия 1. Разобьем открытую часть волновой поверхности на зоны Френеля Границы зон в плоскости отверстия

Результат действия зон Френеля Действие зоны ↓ при ↑ угла между  к поверхности зоны и направлением к точке наблюдения Расстояния от соседних зон до точки наблюдения Р отличаются на λ/2 ~1 мм, если SP=1 м открыты все зоны Френеля половине действия центральной зоны Объяснение прямолинейности распространения света оценка размера центральной зоны Френеля: колебания от точек двух соседних зон приходят в т.P в противофазе A=А1-A2+A3-А4+A5-A6 … A1>A2>A3>…>Аm действие всей волновой поверхности эквивалентно Если

Результат действия зон Френеля Количество открытых зон Френеля Амплитуда и интенсивность в центре дифракционной картины одна нечетное четное БОЛЬШЕ, чем при свободном распространении волны, фокусировка A=0 свободный фронт А0=½А1 Действие всей волны – половина действия первой зоны темное пятно Амплитуда результирующего колебания «+» m – нечетные «-» m – четные I=4I0 I0=¼I1 А=A1=2А0 I=4I0=0 выполняется условие min интерференции m – нечетное m – четное две I=0 А=A1-А2=0 выполняется условие max интерференции А=6A0 I=36I0 Например, открыты три зоны:1, 3, 5 Объяснение прямолинейности распространения света

Дифракция Френеля Дифракция от диска 2. пятно Пуассона (1818 г.) дифракцией света можно пренебречь и считать свет распространяющимся прямолинейно в центре всегда наблюдается интерференционный max (светлое пятно) первая открытая зона Френеля удаляется от центра и увеличивается угол т D велик А=½А1 D ↑ интенсивность центрального max ↓ за центральным max наблюдается тень, вблизи границ которой имеет место слабая дифракционная картина D мал D

Результат действия зон Френеля Освещение белым светом кольца окрашены D велик Аm<

Дифракция на одной щели Если в щели укладывается НЕЧЕТНОЕ число зон Френеля N=2k+1 в точке Р будет наблюдаться МАКСИМУМ Если в щели укладывается ЧЕТНОЕ число зон Френеля N=2k в точке Р будет наблюдаться МИНИМУМ k=1, 2, 3, … k=1, 2, 3, …

Дифракционная решетка Уравнение главных МАКСИМУМОВ Дифракционная решетка Совокупность большого числа одинаковых щелей, расположенных друг от друга на одинаковом расстоянии d – постоянная (или период) дифракционной решетки k=1, 2, 3, … с ↑ числа щелей в дифракционной решетке: амплитуды добавочных max ↓ угловая ширина центрального max ↓

Обратите внимание! Условие максимума дифракционной решетки аналогично условию минимума для щели

Дифракционная решетка как спектральный прибор Основные характеристики спектрального прибора Дисперсия определяет угловое или линейное расстояние между двумя спектральными линиями Угловая дисперсия численно равна углу между двумя max одного порядка, отличающихся по λ на 1 метр Линейная дисперсия численно равна расстоянию на экране между двумя max одного порядка, отличающихся по λ на 1 м угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на dλ … порядок max период решетки линейное расстояние между соседними max одного порядка, отличающимися по длине волны на dλ фокусное расстояние линзы

Разрешающая способность спектральных приборов Разрешающая способность определяет min разность длин волн, при которой две линии воспринимаются на спектре раздельно Критерий Рэлея две спектральные линии считаются полностью разрешенными, если вершина одного max совпадает с основанием другого Разрешающая сила спектрального прибора Разрешающая сила дифракционной решетки количество щелей

Поляризация света

В любой точке поля векторы напряженности ЭП и МП перпендикулярны и лежат в плоскости,  вектору скорости Естественный свет Свет суммарное электромагнитное излучение множества атомов Световой вектор представляет собой Естественный свет направление распространения волны  рисунку ЭМ волна – волна ПОПЕРЕЧНАЯ для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов при действии света на вещество основное значение имеет ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества Атомы излучают световые волны независимо друг от друга световая волна, излучаемая источником, характеризуется равновероятными колебаниями светового вектора свет с равновероятными ориентациями вектора Е Плоскость колебаний плоскость, в которой колеблется световой вектор

Поляризация света Поляризация света процесс ориентации вектора напряженности Е световой волны в определенном направлении Поляризованный свет свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-либо образом упорядочены Плоско (линейно) поляризованный световой вектор колеблется в одной плоскости Эллиптически поляризованный результат наложения двух когерентных плоскополяризованных волн со взаимно  плоскостями поляризации, в случае, когда конец вектора Е описывает эллипс Поляризованный по кругу конец вектора Е описывает окружность Плоскость поляризации плоскость колебания светового вектора Е частный случай

Степень поляризации света естественный свет плоско поляризованный частично поляризованный Степень поляризации Imax и Imin — соответственно max и min интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором Imax = Imin Р = 0 Imin = 0 Р = 1 0 < Р < 1

Закон Малюса Поляризатор естественный свет поляризованный свет устройство для получения поляризованного света, пропускает колебания Е только определенного направления ? поляри-заторы среды, анизотропные в отношении колебаний Е, напр., кристаллы турмалин поляризатор анализатор I~ E2 закон Малюса 1810 г. φ=0° I =I’0 оси поляризатора и анализатора φ=90° I= 0 Закон Малюса I0 I’0 I

Способы получения поляризованного света Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков Фильтр повёрнут так, что полностью пропускает отражённый от поверхности свет Две фотографии одного места, сделанные фотоаппаратом с поляризующим фильтром, повёрнутым под разными углами Фильтр повёрнут на 90°: отражённый свет почти полностью отфильтровывается и блики исчезают

Закон Брюстера 1815 г. Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления падающий неполяризованный свет Степень поляризации преломленного света м.б. значительно повышена многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера стопа Столетова отраженный плоскополяризованный содержит только колебания,  плоскости падения преломленный поляризован максимально, но не полностью n1 n2

Двойное лучепреломление Все прозрачные кристаллы двойного лучепреломления ? обладают способностью эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие оптическая анизотропия кроме кристаллов кубической системы Впервые обнаружено на кристалле исландского шпата CaCO3 е о е – extraordinary необыкновенный о – ordinary обыкновенный 1662 г. призма Николя

Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей Закон преломления: для о-луча всегда выполняется для е-луча в общем случае не выполняется 1. В кристаллах существует направление, при распространении вдоль которого двойного лучепреломления не происходит – оптическая ось, направление кристалла 2. О О’ Плоскость, проходящая через световой луч и оптическую ось кристалла – главная оптическая ось или плоскость главного сечения 3. о-луч и е-луч поляризованы во взаимно  плоскостях плоскость поляризации о-луча  плоскости главного сечения 4.

Применение Создание различных оптических эффектов В 3D-кинематографе технология IMAX: линейная поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу в технологии RealD и MasterImage: подобна IMAX, но круговая поляризация позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы В антеннах космических линий связи (круговая поляризация): для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн, т.е. вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним В наземных линиях: антенны линейной поляризации — всегда можно выбрать заранее — горизонтально или вертикально располагать плоскость поляризации антенн

Использованные источники Трофимова Т.И. Курс физики Костко О.К. Физика для строительных и архитектурных вузов Сахаров Д.И., Блудов М.И. Физика для техникумов Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики http://aco.ifmo.ru/el_books/basics_optics/ http://all-fizika.com/ http://bse.sci-lib.com/ http://elementy.ru/physics http://ens.tpu.ru/posobie.htm http://fn.bmstu.ru/phys/bib/physbook/tom6/content.htm http://physoptika.ru/ http://ru.wikipedia.org http://rutube.ru/tracks/1425275.html?v=0ccd9cf27c52d982fb958fea16fb3057 http://school-collection.edu.ru http://stoom.ru/content http://tsput.ru/res/3.php http://web.mit.edu/newsoffice/science.html http://www.allbiograf.ru/category/fizika/ http://www.epsilon.cc/ http://www.fizika.kr.ua/index.php http://www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/ http://www.kit-e.ru/articles/displ/2007_7_22.php http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/ http://www.osram-auto.ru/prof/page1970/page8449/ http://www.physbook.ru/index.php/ http://www.seninvg07.narod.ru/s_portfolio_virt2.htm http://www.varson.ru/ и др.