Дифракція Фраунгофера. Спектральний аналіз електромагнітної хвилі світла

Дифракція - це певна сукупність явищ, які спостерігаються при русі світлових хвиль крізь середовище з різко вираженими неоднорідностями (малі отвори, непрозорі екрани і т.д.). Вони пов`язані з відхиленням від принципів геометричної оптики. Суть даного поняття полягає в здатності електромагнітного випромінювання огинати будь-які перешкоди. Дифракція Фраунгофера має в оптиці значно більшу прикладне значення, ніж дифракційні явища Френкеля.

Завдяки цьому властивості, електромагнітні хвилі світла, огинаючи перешкоди, потрапляють в область так званої геометричної тіні і проникають в отвори невеликого діаметра. Проходячи через них, хвилі розпадаються на складові, що відкриває широкі можливості для вивчення і спектрального аналізу природи світлових вивчень. При цьому дифракція Фраунгофера передбачає відповідність розмірів отворів довжині хвилі.

Дане явище також пояснюється за допомогою принципу Гюйгенса - Френкеля. Він застосовується для розв`язання деяких завдань, пов`язаних з дослідженнями в галузі розподілу інтенсивності світлових випромінювань і їх розповсюдження в різних середовищах з перешкодами. Відкриття явища дифракції свого часу послужило ключовим доказом хвильової природи світла. Перша кількісна теорія даного явища належить французькому фізику Френкелю. Втім, його постулати досі мають головним чином теоретичне значення.

А дифракція Фраунгофера має і практичне здійснення, при якому джерело світлових випромінювань поміщається у фокус лінзи. Вона не потрібна, якщо джерелом є лазер, оскільки він випускає паралельний пучок випромінювання. Дифракція Фраунгофера виникає на якому-небудь перешкоді, встановленому на шляху світлових променів, що проходять крізь лінзу. Картина даного оптичного явища спостерігається в фокальній площині інший лінзи, розміщеної за перешкодою.

Але найпростішим для розрахунків і надзвичайно важливим для практичної оптики випадком є дифракція Фраунгофера на одній щілині великої довжини прямокутного перетину. У цьому випадку на отвір падає монохроматична плоска хвиля. Світлове поле за щілиною будується згідно з принципом Гюйгенса як результат інтерференції когерентної вторинної хвилі. Всі хвилі такого типу виходять з різних ділянок хвильового фронту. Основною особливістю дифракційної картини є те, що вторинні хвилі, що випромінюються смугою хвильового фронту, складаючись після проходження перешкоди, утворюють одну циліндричну хвилю, віссю якої служить ця смуга.

Дифракційна картина в цьому випадку представляє собою чергування світлих ділянок з темними і характеризується наявністю яскравої плями в центрі, де розташована зона геометричної тіні. Характерно те, що для білого світла картина буде пофарбованої. Центральна смуга при цьому буде світлою, а інші будуть чергуватися за кольором від фіолетового до червоного. Дифракція Фраунгофера на щілині створює розмите зображення джерела світла, яке розділене темними смугами. Дифракційна картина на малих отворах дає систему концентричних кіл з темною плямою Пуассона в центрі. Світлі смуги, що виникають на екрані, називаються дифракційними максимумами, а темні - мінімумами.

Явище дифракції застосовується для точного вимірювання довжини світлових хвиль. Також воно враховується при конструюванні різних оптичних приладів, оскільки дане явище накладає деякі обмеження і на їх роздільну здатність.