Уравнение максимума и минимума дифракционной решетки

Дифракция света

В рамках геометрической оптики, распространение луча в оптически однородной среде — прямолинейное, однако в природе существует ряд явлений, где можно наблюдать отклонение от этого условия.

Дифракция – явление огибания световыми волнами встреченных препятствий. В школьной физике изучаются две дифракционные системы (системы, при прохождении луча в которых наблюдается дифракция):

дифракция на щели (прямоугольном отверстии)
дифракция на решётке (набор равноотстоящих друг от друга щелей)

Дифракция на щели — дифракция на прямоугольном отверстии (рис. 1).

Рис. 1. Дифракция на щели

Пусть дана плоскость со щелью, шириной , на которую под прямым углом падает пучок света А. Большинство света проходит на экран, однако часть лучей дифрагирует на краях щели (т.е. отклоняется от своего первоначального направления). Далее эти лучи интерферируют друг с другом с образованием дифракционной картины на экране (чередование ярких и тёмных областей). Рассмотрение законов интерференции достаточно сложно, поэтому ограничимся основными выводами.

Полученная дифракционная картина на экране состоит из чередующихся областей с дифракционными максимумами (максимально светлыми областями) и дифракционными минимумами (максимально тёмными областями). Эта картина симметрична относительно центрального светового пучка. Положение максимумов и минимумов описывается углом относительно вертикали, под которым они видны, и зависит от размера щели и длины волны падающего излучения. Положение этих областей можно найти используя ряд соотношений:

для дифракционных максимумов

где
- — ширина щели,
- — угол между вертикалью и направлением на максимум,
- — порядок максимума (счётчик),
- — длина волны света.

Нулевым максимумом дифракции называется центральная точка на экране под щелью (рис. 1).

для дифракционных минимумов

где
- — ширина щели,
- — угол между вертикалью и направлением на минимум,
- — порядок минимума (счётчик),
- — длина волны света.

Вывод: по условиям задачи необходимо выяснить: максимум или минимум дифракции необходимо найти и использовать соответствующее соотношение (1) или (2).

Дифракция на дифракционной решётке.

Дифракционной решёткой называется система, состоящая из чередующихся щелей, равноотстоящих друг от друга (рис. 2).

Рис. 2. Дифракционная решётка (лучи)

Так же, как и для щели, на экране после дифракционной решётки будет наблюдаться дифракционная картина: чередование светлых и тёмных областей. Вся картина есть результат интерференции световых лучей друг с другом, однако на картину от одной щели будет воздействовать лучи от других щелей. Тогда дифракционная картина должна зависеть от количества щелей, их размеров и близкорасположенности.

Введём новое понятие — постоянная дифракционной решётки:

где
- — постоянная дифракционной решётки,
- — расстояние между щелями,
- — ширина щели.

Тогда положения максимумов и минимумов дифракции:

для главных дифракционных максимумов (рис. 3)

где
- — постоянная дифракционной решётки,
- — угол между вертикалью и направлением на максимум.
- — порядок максимума (счётчик),

Рис. 3. Дифракционная решётка (максимумы)

для дифракционных минимумов

где
- — ширина щели,
- — угол между вертикалью и направлением на минимум,
- — порядок минимума (счётчик),
- — длина волны света.

Отдельным вопросом задач на дифракцию является вопрос о наибольшем количестве максимумов, которые можно наблюдать в текущей системе. Наибольший угол, под которым можно наблюдать максимум — , тогда, исходя из (4):

Главное помнить, что число максимумов — число, т.е. от полученного ответа необходимо брать только целую часть.

Вывод: по условиям задачи необходимо выяснить: максимум или минимум дифракции необходимо найти и использовать соответствующее соотношение (4) или (5).

Общий вывод: задачи на дифракцию должны содержать в себе словосочетания, связанные с «дифракцией». Далее разбираемся с объектом: щель или дифракционная решётка и используем соответствующие соотношения для минимума или максимума.

5.5. Дифракционная решетка

Широкое распространение в научном эксперименте и технике получили дифракционные решетки, которые представляют собой множество параллельных, расположенных на равных расстояниях одинаковых щелей, разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Дифракционные решетки изготавливаются с помощью делительной машины, наносящей штрихи (царапины) на стекле или другом прозрачном материале. Там, где проведена царапина, материал становится непрозрачным, а промежутки между ними остаются прозрачными и фактически играют роль щелей.

Рассмотрим сначала дифракцию света от решетки на примере двух щелей. (При увеличении числа щелей дифракционные максимумы становятся лишь более узкими, более яркими и отчетливыми.)

Пусть а — ширина щели, a b — ширина непрозрачного промежутка (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Дифракция от двух щелей

Период дифракционной решетки — это расстояние между серединами соседних щелей:

Разность хода двух крайних лучей равна

Если разность хода равна нечетному числу полуволн

то свет, посылаемый двумя щелями, вследствие интерференции волн будет взаимно гаситься. Условие минимумов имеет вид

Эти минимумы называются дополнительными.

Если разность хода равна четному числу полуволн

то волны, посылаемые каждой щелью, будет взаимно усиливать друг друга. Условие интерференционных максимумов с учетом (5.36) имеет вид

Это формула для главных максимумов дифракционной решетки.

Кроме того, в тех направлениях, в которых ни одна из щелей не распространяет свет, он не будет распространяться и при двух щелях, то есть главные минимумы решетки будут наблюдаться в направлениях, определяемых условием (5.21) для одной щели:

Если дифракционная решетка состоит из N щелей (современные решетки, применяемые в приборах для спектрального анализа, имеют до 200 000 штрихов, и период d = 0.8 мкм, то есть порядка 12 000 штрихов на 1 см), то условием главных минимумов является, как и в случае двух щелей, соотношение (5.41), условием главных максимумов — соотношение (5.40), а условие дополнительных минимумов имеет вид

Здесь k’ может принимать все целочисленные значения, кроме 0, N, 2N, . . Следовательно, в случае N щелей между двумя главными максимумами располагается (N–1) дополнительных минимумов, разделенных вторичными максимумами, создающими относительно слабый фон.

Положение главных максимумов зависит от длины волны l. Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального, разлагаются в спектр, фиолетовый конец которого обращен к центру дифракционной картины, а красный — наружу. Таким образом, дифракционная решетка представляет собой спектральный прибор. Заметим, что в то время как спектральная призма сильнее всего отклоняет фиолетовые лучи, дифракционная решетка, наоборот, сильнее отклоняет красные лучи.

Важной характеристикой всякого спектрального прибора является разрешающая способность.

Разрешающая способность спектрального прибора — это безразмерная величина

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

19.3.2.3. Зависимость интенсивности дифракционной картины от угла дифракции φ

Разобьем щель на полоски шириной dx и изобразим векторную диаграмму колебаний, посылаемых этими полосками в точку наблюдения P . При φ = 0 колебания от всех полосок будут иметь одинаковую фазу. Результирующее колебание в точке P получится в результате сложения сонаправленных бесконечно малых векторов. Векторная диаграмма (14.3) в этом случае будет иметь вид вектора длиной A₀ .

Для колебаний приходящих от щели в точку наблюдения P , расположенную под углом φ , векторная диаграмма имеет вид дуги окружности длиной A₀ .

Замыкающий эту дугу вектор A_щ является амплитудой результирующего колебания от щели при произвольном угле φ . Фазовый угол δ соответствует максимальной разности хода, равной Δ = b Sinφ . Так как

, см. (18.1.2.2), то

Величину вектора A_щ найдем из геометрических соображений.

(по определению радианной меры угла).

Из треугольника COB :

Исключив R получим:

Интенсивность (16.5.4.) пропорциональна квадрату амплитуды, следовательно:

Учитывая связь δ с разностью хода Δ , получим связь интенсивности дифрагировавшего света с параметрами разбираемой задачи:

График этой функции в осях I — Sinφ имеет следующий вид:

19.4 Дифракционная решетка

— это совокупность большого числа одинаковых щелей, отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние. Расстояние d между соответственными точками соседних щелей называют периодом решетки:

19.4.1. Условие главного максимума для дифракционной решетки

Пусть на дифракционную решетку с числом щелей N падает по нормали параллельный пучок света (плоская волна, 15.1.7) с длиной волны λ . Между экраном и решеткой поместим собирающую линзу. Экран расположим в фокальной плоскости линзы. По принципу Гюйгенса-Френеля (19.2) для нахождения амплитуды результирующего колебания в какой-либо точке P экрана наблюдения надо найти результат интерференции всех вторичных волн, с учетом их фаз и амплитуд. Линза собирает в точке P все параллельные лучи, идущие от решетки под углом φ .

Каждая щель создает колебания с амплитудой зависящей от φ (19.3.2.3).

Разность хода лучей, идущих от соответственных точек соседних щелей найдем из треугольника ABC :

При выполнении условия максимума (18.1.2.3)

таким образом, условие главного максимума для дифракционной решетки будет иметь следующий вид:

Целое число m называют порядком максимума. Колебания от соседних щелей при выполнении условия максимума в точку P будут приходить в одинаковой фазе. Результирующая амплитуда A_р , создаваемая в точке P решеткой будет в N раз больше амплитуды от одной щели:

будет в N 2 раз больше, чем интенсивность I_щ , создаваемая одной щелью.

19.4.2. Зависимость интенсивности дифракционной картины решетки от угла дифракции φ

Амплитуда результирующего колебания от N щелей, A_p(φ) , есть результат многолучевой интерференции (18.3). Таким образом:

Здесь δ — разность фаз колебаний, идущих в точку P от соответственных точек соседних щелей. Выразим δ через Δ (18.1.2.2), а Δ из треугольника ABC :

Подставив A_щ , полученную в (19.3.2.3), получим зависимость амплитуды результирующего колебания, создаваемого решеткой для угла φ :

Для интенсивности (16.5.4) получим:

Здесь I₀ — интенсивность, создаваемая одной щелью при φ = 0 , первая дробь учитывает зависимость от интенсивности от φ одной щели, а вторая учитывает результат многолучевой интерференции N щелей.

При выполнении условия главного максимума d·Sinφ = mλ вторая дробь после раскрытия неопределенности по правилу Лопиталя дает N 2 . Таким образом, интенсивность в максимуме, как и было показано в (19.4.1), в N 2 раз больше интенсивности, создаваемой одной щелью.

19.4.2.1. Минимумы интенсивности дифракционной картины решетки

Формально получить условия на φ при которых будут наблюдаться минимумы можно, если проанализировать на минимум только что полученное выражение I(φ) . Анализ дает следующие результаты:

а) — это условие минимума для щели (19.3.2.2);

б) — это условие главного минимума для решетки. При выполнении этого условия колебания от соседних щелей приходят в точку P в противофазе и попарно гасят друг друга;

в) — целое число не кратное N .

Это условие добавочных минимумов. При k’ кратном N получим условие максимума.

При выполнении условия добавочных минимумов векторная диаграмма сложения колебаний от N щелей замыкается: конец N-го вектора попадает в начало 1-го и результирующая амплитуда равна нулю. На рисунке ниже изображена эта ситуация для N = 6 (рис. а), k’ = 1 и k’ = 2 (рис. б). При k’ = 2 векторы A₁ и A₄ , A₂ и A₅ , A₃ и A₆ расположены в одном месте.

19.4.2.2. Добавочные минимумы, ближайшие к главным максимумам

Если в условии добавочных минимумов (19.4.2.1,в) положить k’ = 1, N ±1, 2N ±1,… , т.е. k’ = mN ±1, m = 0, 1, 2, … , то получим условие для добавочных минимумов, ближайших к главным максимумам порядка m :

При разности хода d·Sinφ равной ±mλ наблюдается главный максимум порядка m . Добавка к разности хода величины λ/N дает условие минимума, ближайшего к главному максимуму. Эта добавка тем меньше, чем больше N — число щелей решетки, принимающих участие в образовании интерференционной картины. У хороших решеток d ≈ 10 -6 м и при длине решетки l_р= 1 см число щелей N = l_р/d = 10000, что дает очень узкие главные максимумы, необходимые в спектральных приборах.

19.4.3. График интенсивности I_p(Sin φ )

Для наглядности графика возьмем решетку с очень малым числом щелей, N = 4. Пусть, для определенности, постоянная решетки d в четыре раза больше ширины щели b , т.е. d = 4b , а длина волны λ = b/2 . Найдем значения Sinφ , при которых будут наблюдаться максимумы и минимумы от нашей решетки:

Главные максимумы решетки (19.4.1):

Главные минимумы решетки:

Добавочные минимумы решетки:

Зависимость интенсивности дифракционной картины от Sinφ изображена на рисунке (расположенном ниже) сплошной линией. Бледная линия — огибающая дифракционной картины — это интенсивность дифракционной картины от одной щели, помноженная на N 2 = 4 2 = 16 .

источники:

http://online.mephi.ru/courses/physics/optics/data/course/5/5.5.html

http://msk.edu.ua/ivk/Fizika/2_kurs/Tushev_Shizika/TUSHEV2/19-3.html