ДИФРАКЦИЯ СВЕТА. ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА-ФРЕНЕЛЯ Под дифракцией света обычно понимают отклонения от простых законов распространения света, описываемых геометрической оптикой. Геометрическая оптика и прямолинейное распространение света являются предельным случаем дифракции, а трудности наблюдения последней связаны с малостью длины световой волны и низкой пространственной и временной когерентностью естественных источников света. Тщательные опыты в монохроматическом свете показывают, что вместо резкой границы между светом и тенью. возникает сложная картина освещенности, состоящая из темных и светлых участков - дифракционных полос. Гюйгенс постулировал, что каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, а новый волновой фронт строится как их огибающая. Френель дополнил этот принцип положениями о когерентности вторичных источников и интерференции испускаемых ими вторичных волн. Рис. 6.1 Принцип Гюйгенса-Френеля

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА. ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА-ФРЕНЕЛЯ Определение полной амплитуды волны в точке наблюдения сводится к векторному сложению элементарных комплексных амплитуд a n exp(if n ) вторичных волн. Рис. 6.2 К определению результирующей амплитуды волны в точке наблюдения

Результат дифракции Френеля на круглом отверстии радиуса R зависит от числа m открытых полуволновых зон, на которые разбивается волновой фронт AOB от точечного источника S. Разбиение ведется путем последовательного добавления половины длины волны к радиусу b опорной сферы с центром в точке P, до тех пор, пока расстояние (b+ не станет равным расстоянию AP до края отверстия, что и определит число m открытых для точки P зон. Поскольку волны от соседних зон приходят в точку P в противофазах, то результирующая амплитуда A p равна сумме знакопеременного ряда. Четное m соответствует минимуму интенсивности в точке P, нечетное число полуволновых зон соответствует максимумам интенсивности в центре дифракционной картины. Рис. 6.4 Реальные дифракционные распределения интенсивности излучения при постепенном приближении к экрану с круглым отверстием. При этом число открытых френелевских зон возрастает. ДИФРАКЦИЯ ФРЕНЕЛЯ НА КРУГЛОМ ОТВЕРСТИИ. ЗОНЫ ФРЕНЕЛЯ Рис. 6.3 Разбиение волнового фронта на зоны Френеля

ПОПЕРЕЧНЫЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОТ КРУГЛОГО ОТВЕРСТИЯ При построении полуволновых зон для внеосевой точки Р возникает смещение вершины опорной сферы О относительно центра отверстия. Часть зон оказывается, как и для осевой точки, открытыми, а часть - открываются только частично. В результате возникает система внеосевых максимумов и минимумов (колец), по которым можно определить полное число открытых френелевских зон m для данной плоскости. Рис. 6.5 Построение зон Френеля для внеосевой точки Р Рис. 6.6 Поперечные дифракционные распределения для а) двух открытых б) трех открытых полуволновых зона) б)

МЕТОД ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ Амплитуды волн от малых элементов волнового фронта a 0 exp(, изображаются на комплексной плоскости элементарными векторами, поворот которых против часовой стрелки отражает возрастание фазы при перемещении от центра отверстия к его краю. Длины элементарных векторов a 0 уменьшаются с ростом угла между нормалью к волновому фронту и направлением на точку наблюдения Р, поэтому их векторная сумма не описывает окружность, а сворачивается по спирали. В отсутствие экрана полная амплитуда вторичных волн А р от всех френелевских зон соответствует вектору, соединяющему начало координат и центр спирали. Диаграмма 1 соответствует случаю дифракции на круглом отверстии, когда для точки наблюдения открыта одна полуволновая зона ( m = 1 ). А=2А р I=4I p Диаграмма 2 соответствует m = 2, когда амплитуда волны в точке P минимальна. Рис. 6.7 Векторные диаграммы: а) открыт весь волновой фронт, б) открыта одна зона m=1 в) открыто две зоны m=2 Рис. 6.8 Зависимость интенсивности дифракционного распределения от числа открытых зон

ДИФРАКЦИЯ НА КРУГЛОМ ДИСКЕ. ПЯТНО ПУАССОНА. Если на пути световой волны от источника S вместо экрана с отверстием расположен круглый непрозрачный диск диаметра D, то для точки наблюдения на экране Р, в зависимости от расстояния L, оказываются открытыми полуволновые зоны, начиная с некоторого m и до бесконечности. Принцип Бабине для дифракции на дополнительных экранах: А h – суммарная амплитуда, даваемая некоторым отверстием, А d – суммарная амплитуда волны, дифрагированной на диске того же диаметра, A p – амплитуда волны, распространяющейся в отсутствие препятствия. Векторная амплитуда оказывается конечной, монотонно возрастая по мере уменьшения диаметра диска, тогда в центре его геометрической тени должен наблюдается максимум интенсивности, называемый пятном Пуассона. Рис Реальные дифракционные распределения за непрозрачными дисками различных диаметров Рис. 6.9 Наблюдение дифракции на круглом диске Рис Векторные диаграммы

ИЗМЕНЕНИЕ ФАЗОВЫХ СООТНОШЕНИЙ МЕЖДУ ВТОРИЧНЫМИ ВОЛНАМИ Увеличения интенсивности центрального дифракционного максимума можно добиться посредством дополнительного фазового сдвига между полуволновыми зонами. Для формирования из плоского волнового фронта 1-1 сходящегося фронта 2-2 достаточно последовательно уменьшать фазу каждой последующей зоны на, компенсируя увеличение оптической длины пути. Рис Фазовый сдвиг, полученный путем размещения в отверстии стеклянной пластины с кольцевыми ступенями равной высоты h и максимальной толщиной по центру. Рассмотрим для примера два отверстия: первое с внешним радиусом R 2, открывающее для точки Р одну полуволновую зон, и второе с внешним радиусом R 3, открывающее полторы зоны. На векторной диаграмме им будут соответствовать точки 2 и 3. Выделим, кроме того, точку 1, соответствующую первую половине первой зоны (радиус R 1 ). Рис Формирование сходящегося волнового фронта Очевидно, что если радиусы R 1, R 2 и R 3 соответствуют значениям m = 0.5, 1.0 и 1.5, то требуемая высота стеклянных ступеней h должна рассчитываться из условия 4nh = l, поскольку дополнительный фазовый сдвиг между половинами зон должен составлять не, а /2.

ЗОННЫЕ ПЛАСТИНКИ Если все четные (или нечетные) зоны закрыть непрозрачной маской, то в точке P будет наблюдаться многократное усиление света, т.е. фокусировка (диаграмма 1 ) Если для четных или нечетных зон ввести дополнительный фазовый сдвиг, то интенсивность света в фокусе возрастет еще в 4 раза (диагр. 2) В первом случае перед нами амплитудная зонная пластинка, а во втором - фазовая зонная пластинка. В отличие от обычных фокусирующих систем, зонная пластинка (ЗП) обладает свойством полифокальности. Помимо главного фокуса, у нее образуются т.н. побочные или кратные фокусы. Рис Реальные дифракционные распределения интенсивности в плоскостях, отстоящих от амплитудной ЗП на расстояние L. Можно заметить наличие кратного фокуса f/3. L = 0,3 f L = 0,5 f L = 0,8 f L = f Рис Амплитудные и фазовые зонные пластинки