Глава 27. Дифракция света

27.1. Принцип Гюйгенса — Френеля

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле — любое отклонение распространения волн вблизи препятст­вий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствие проникать через небольшие отверстия в экране и т. д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, т. е. звуковая волна его огибает.

Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн.

Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей волны в любой точке пространства, т. е. определить закономерности распространения света, В общем случае расчет вторичных волн довольно сложный и громоздкий, однако, как будет показано ниже, для некоторых случаев нахождение амплитуды результирующего колебания осуществляется алгебраическим суммированием.

27.2. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света

Принцип Гюйгенса — Френеля в рамках волновой теории должен был oтветить на вопрос о прямолинейном распространении света. Френель решил эту задачу, рассмот­рев взаимную интерференцию вторичных волн и применив прием, получивший название метода зон Френеля.

Найдем в произвольной точке М амплитуду световой волны, распространяющейся в однородной среде из точечного источника S (рис.27.1). Согласно принципу Гюйген­са — Френеля, заменим действие источника S действием воображаемых источников, расположенных на вспомогательной поверхности Ф, Рис. 27.1.

являющейся поверхностью фронта волны, идущей из S (поверхность сферы с центром S). Френель разбил волновую поверхность Ф на кольцевые зоны такого размера, чтобы расстояния от краев зоны до М отличались на λ /2, т. е. Р ₁ М - Р ₀ М = Р ₂ М - Р ₁ М = Р ₃ М - Р ₂ М =… λ /2. Подобное разбиение фронта волны на зоны можно выполнить, проведя с центром в точке М сферы радиусами b + λ /2, b +2 λ /2, b +3 λ /2…

Tак как колебания от соседних зон проходят до точки М расстояния, отличающиеся на λ /2, то в точку М они приходят в противоположной фазе и при наложении эти колебания будут взаимно ослаблять друг друга. Поэтому амплитуда результирующего светового колебания в точке М

А = А ₁- А ₂+ А ₃- А ₄+…, (27.1)

где А ₁, А ₂,…- — амплитуды колебаний, возбуждаемых 1-й, 2-й..., m -й зонами.

Для оценки амплитуд колебаний найдем площади зон Френеля. Пусть внешняя граница m -й зоны выделяет на волновой поверхности сферический сегмент высоты h_m (рис.27.2). Обозначив площадь этого сегмента через σ _m что площадь m –й зоны Френеля равна Δ σ_m=σ_m -σ_{m- 1}, где σ_{m- 1} - площадь сферического сегмента, выделяемого внешней границей (m -1)-й зоны. Из рисунка следует, что

r_m ² =a ² - (a-h_m)² = (b –mλ/ 2)² - (b+h_m)². (27.2)

После элементарных nреобразований, учитывая, что λ << а и λ << b, получим

h_m = . (27.3)

Площадь сферического сегмента и площадь m -й зоны Френеля соответственно равны

σ_m= 2 πаh_m= m, Δ σ_m=σ_m -σ_{m- 1} = . (27.4)

Выражение (27.4) не зависит oт m; следовательно, при не слишком больших m площа­ди зон Френеля одинаковы. Таким образом, построение зон Френеля разбивает волно­вую поверхность сферической волны на равные зоны.

Согласно предположению Френеля, действие отдельных зон в точке М тем меньше, чем больше угол φ_m (рис.) между нормалью n к поверхности зоны и направлением на М, т. е. действие зон постепенно убывает от центральной (около Р ₀) к периферичес­ким. Кроме того, интенсивность излучения в направлении точки М уменьшается с ростом m и вследствие увеличения расстояния от зоны до точки М. Учитывая оба этих фактора, можно записать

А ₁ >А ₂ > А ₃ >А ₄ >…

Общее число зон Френеля, умещающихся на полусфере, очень велико; например, при а = b =10см и λ =0,5мкм N= 8×10⁵. Поэтому в качестве допустимого приближения можно считать, что амплитуда колебания А_m от некоторой m -й зоны Френеля равна среднему арифметическому от амплитуд примыкающих к ней зон, т. е.

А_m= . (27.5)

Тогда выражение (27.1) можно записать в виде

А=А ₁ / 2 + (А ₁ / 2 – А ₂ + А ₃ / 2) + (А ₃ / 2 – А ₄ + А ₅ / 2) +… = А ₁ / 2, (27.6)

так как выражения, стоящие в скобках, согласно (27.5), равны нулю, а оставшаяся часть от амплитуды последней зоны ± А_m / 2 ничтожно мала.

Таким образом, амплитуда результирующих колебаний в произвольной точке М определяется как бы действием только половины центральной зоны Френеля. Следовательно, действие всей волновой поверхности на точку M сводится к действию ее малого участка, меньшего центральной зоны.

Если в выражении (27.2) положим, что высота сегмента h_m << а (при не слишком больших m), тогда r_m ² =2 а h_m. Подставив сюда значение (27.3), найдем радиус внешней границы m -й зоны Френеля:

r_m= . (27.7)

При а = b =10 см и λ =0,5 мкм радиус первой (центральной) зоны r ₁=0,158 мм.

Сле­довательно, распространение света от S к М происходит так, будто световой поток распространяется внутри очень узкого канала вдоль SM, т. е. прямолинейно. Таким образом, принцип Гюйгенса-Френеля позволяет объяснить прямолинейное распространение света в однородной среде.

Правомерность деления волнового фронта на зоны Френеля подтверждена экспериментально. Для этого используются зонные пластинки — в простейшем случае стеклянные пластинки, состоящие из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец, построенных по принципу расположения зон Френеля. Если поместить зонную пластинку в строго определенном месте, то для света длиной волны λ она перекроет четные зоны и оставит свободными нечетные начиная с центральной. В результате этого результирующая амплитуда А=А ₁ + А ₃ + А₅ +… должна быть больше, чем при полностью открытом волновом фронте. Опыт подтверждает эти выводы: зонная пластинка увеличивает освещенность в точке, действуя подобно собирающей линзе.

27.3. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске

Рассмотрим дифракцию на сходящихся лучах, или дифракцию Френеля, осуществляемую в том случае, когда дифракционная картина наблюдается на конечном расстоянии от препятствия, вызвавшего дифракцию.

а) Дифракция на круглом oтверствии. Сферическая волна, распространяющаяся из точечного источника S, встречает на своем пути экран с круглым отверстием. Дифрак­ционную картину наблюдаем на экране Э в точке В, лежащей на линии, соединяющей S с центром отверстия (рис.27.3). Экран параллелен плоскости отверстия и находятся от него на расстоянии b. Разобьем открытую часть волновой поверхности Ф на зовы Френеля. Вид дифракционной картины зависит от числа зон Френеля, открываемых отверстием. Амплитуда результирующего колебания, возбуждаемого в точке В всеми зонами:

A = A ₁/2 ± A_m /2, (27.8)

где знак плюс соответствует нечетным m и минус — четным m.

Когда отверстие открывает нечетное число зон Френеля, то амплитуда (интенсив­ность) в точке В будет больше, чем при свободном распространении волны; если четное, то амплитуда (интенсивность) будет равна нулю. Ecли отверствие открывает одну зону Френеля, то в точке В амплитуда А = А ₁ т. е. вдвое больше, чем в отсутствие непрозрачного экрана с отверстием. Интенсивность света больше соответственно в четыре раза. Если oтверстие открывает две зоны Френеля, то их действия в точке В практически уничтожат друг друга из-за интерференции. Таким образом дифракционная картина от круглого отверстия вблизи точки В будет иметь вид чередующихся темных и светлых колец с центрами в точке В (если m четное, то в центре будет темное кольцо, если m нечетное—то светлое кольцо), причем интенсивность в максимумах убывает с расстоянием от центра картины.

Если отверстие освещается не монохроматическим, а белым светом то кольца окрашены.

Число зон Френеля открываемых отверстием, зависит от его диаметра. Если он большой, то А_m<< А ₁и peзyльтирующая амплитуда А = А ₁ / 2 т. е. такая же, как и при полностью открытом волновом фронте. Никакой дифракционной картины не наблюдается, свет распространяется, как и в отсутствие круглого отверствия, прямолинейно. Рис.27.4.

б) Дифракция на диске. Сферическая волна, распространяющаяся от точечного источника S встречает на своем пути диск. Дифракционную картину наблюдаем на экране Э в точке В, лежащей на линии, соединяющей S с центром диска (рис.27.4). В данном случае закрытый диском участок волнового фронта надо исключить из рассмотрения и зоны Френеля строить начиная с краев диска. Пусть диск закрывает m первых зон Френеля. Тогда амплитуда результирующего колебания в точке В равна:

А = А_{m +1} - А_{m +2} + А_{m +3} -…= А_{m +1}/2 +(А_{m +1}/2 - А_{m +2} + А_{m +3}/2) +…

или А = А_{m +1}/2,

тaк как выражения, стоящие в скобках, равны нулю. Следовательно, в точке В всегда наблюдается интерференционный максимум (светлое пятно), соответствующий половине действия первой открытой зоны Френеля. Центральный максимум окружен концентрическими с ним темными и светлыми кольцами, а интенсивность в мак­симумах убывает с расстоянием от центра картины.

Интенсивность центрального максимума с увеличением размеров диска уменьшается. При больших размерах диска за ним наблюдается тень, вблизи границ, которой имеет место весьма слабая дифракционная картина. В данном случае дифракцией света можно пренебречь и считать свет распространяется прямолинейно.