Дифракційна ґратка — опис, принцип дії, формула



Дифракційна ґратка – це оптичний пристрій, вплив якого заснований на застосуванні дифракції світла. Результатом дії дифракційної ґратки є області, що відбивають промені та області, що розсіюють їх.

Дослідження за допомогою подібної ґратки проводяться у відбитому світлі.

Дифракційний вид ґратки вважається результатом взаємної інтерференції хвиль, що виходять від усіх осередків.

Дифракційні максимуми трьох різних порядків від електричної лампочки
Дифракційні максимуми трьох різних порядків від електричної лампочки

Зона Френеля

За допомогою дифракційної ґратки здійснюється взаємне нарощування багатопроменевого поширення або зменшення амплітуди когерентних світлових пучків, які вважаються дифракційними.

Правильне визначення принципу Гюйгенса-Френеля: площина хвилі в будь-який момент є не простою оболонкою вторинних ліній, а результатом їх інтерференції.

Щоб знайти амплітуду світлової хвилі від монохроматичного точкового джерела світла у випадковій точці О ізотропного середовища, необхідно обрамити основні пристрої кулею з радіусом r = QD.

Інтерференція хвиль від вторинних джерел, розташованих на площині, визначає амплітуду в розглянутій точці О, тобто необхідно додати когерентні коливання від усіх вторинних об’єктів на площині хвилі.

Оскільки відстані від них до точки О різні, барабани почнуть розтягуватися в різні фази. Довжина найкоротшого шляху від точки O до плоскої хвилі дорівнює 0.

Дифракційна ґратки - опис

Перша зона Френеля обмежена точками площини, відстані від яких до точки О такі ж. Краї інших зон націлені таким же чином. Коли відмінність траєкторій від двох сусідніх зон становить половину довжини хвилі, барабани з них потрапляють в точку О в циркулюючих фазах, з’являється невелика кількість шуму, якщо різниця траєкторій дорівнює довжині хвилі інтерференції.

Таким чином, якщо перешкода відповідає цілому числу ліній хвиль, вона стане взаємно скомпенсованою, і в цій точці буде помічена чорна пляма. У разі непарного числа напівхвиль, це буде барвиста пляма.

Розрахунки можуть допомогти правильно зрозуміти, яким чином світло від точкового джерела, що випромінює сферичні хвилі, досягає випадкової точки в просторі.

Дифракція від всіх типів перешкод:

  • вузький дріт;
  • з круглого отвору;
  • від круглого запечатаного екрану.

Два випадки дифракції світла

Спостереження при дослідженні

Дифракція відбувається на об’єктах будь-якого розміру, а не тільки пропорційно довжині хвилі λ. Складність дослідження полягає в тому, що через малу довжину світлової хвилі максимуми інтерференції знаходяться досить близько один до одного, а їх інтенсивність швидко зменшується.

Якщо дифракція непомітна і відбувається затемнення, об’єкт невидимий, з’являється різка тінь. Діаметр екрану d визначає межу геометричної оптики. Якщо спостереження виконується на відстані, хвильові властивості світла починають проявлятися в пропорціях застосовності геометричної оптики, де d – величина об’єкта.

Шаблони розподілу шуму з різних точок об’єкта перекриваються, і зображення стає розмитим, в результаті чого пристрій не виділяє окремі частини об’єкта. Дифракція може спостерігатися і визначає розподільну здатність будь-якого оптичного пристрою.

Людському оку вона видна приблизно під тим же кутом:

  • буква D – діаметр зіниці;
  • телескоп α = 0,02;
  • мікроскоп: ємність не більше 2-103 разів.

Можна бачити об’єкти, розміри яких можна порівняти з довжиною лінії світла.

Зони Френеля - формули

Дифракційна особливість

Світлова дифракція – це граничне відхилення лазерного променя і зміна напрямку хвилі. Відхилення сили розкладання пов’язане з проходженням світла через сітку, яка містить численні щілини. Дифракційна сітка є тим краще, чим більша кількість зазорів містить ущільнення.

Ширина щілини порівнянна з розміром світлової хвилі. Коли лазерне світло проходить через розрив у дифракційній ґратці, відбувається дифракція світла.

Період дифракційної ґратки має властивість: коли послідовний лазерний промінь проходить через кілька зазорів, щільно розташованих поруч один з одним, відбуваються перешкоди хвиль (перекриття) і на екрані можна спостерігати смуги.

Прилад головної оптики складається з великого числа паралельних рівновіддалених рис однакової форми, нанесених на плоску або увігнуту підкладку, де відбувається дифракція падаючої хвилі.

Зазвичай це прозора пластина або металеве дзеркало з щільно нанесеними — понад 1 тис. в 1 мм — тріщинами або зі смужками, отриманими методами голографії. Щілини, що виникли, викликають кутовий прогин дисперсії.

Зібрані через лінзу промені дають на екрані в разі монохроматичного світла зображення відблисків (чергові яскраві смужки виникають в напрямках, для яких відмінності оптики і інтерференційних пучків є цілим кратним довжині лінії світла, що згинається), а в разі білого світла — безперервним спектром.

Особливим типом дифракційної ґратки є ступінчаста (відбиваюча), побудована А. Міхельсоном.

Дифракційна ґратка є основним компонентом більшості спектральних приладів.

Спектральний аналіз - визначення

Спектральний аналіз

Дифракційна ґратка є інструментом для проведення спектрального аналізу світла. Вона утворює систему рівних, паралельних і однаково розташованих зазорів. Використовується для точних вимірювань довжин світлових хвиль і являє собою систему перешкод для ліній, розташованих в просторі або на поверхні, періодично або випадково.

Постійна дифракційної ґратки – це параметр, що характеризує сітку. Він виражає відстань між отворами (щілинами). Залежність значення постійної лінії і кута вигину α представляє формулу дифракційної решітки:

nλ = d * sina

де:

  • λ – довжина хвилі;
  • n – провисання.

Фіксована ґратка може легко вимірюватися за формулою:

d = nλ/sina

Встановити пристрій слід таким чином, щоб сонце добре світило на панель, розташовану в його вузькій частині. Там розміщена Дифракційна ґратка. Дивитися на зображення потрібно фокусуючим екраном.

Слід звернути увагу, що спостережувані відтінки розташовані у зворотному порядку, ніж призма. Червоний колір сильно відхиляється від напрямку світла, що падає на ґратку, а фіолетова гамма на третьому місці.

Дисперсія світла

Особливості явища

Дифракційна ґратка являє собою щільно окреслену пластину, яка може містити до тисячі зазорів на міліметр. Сонячне світло в цьому досліді проявляє хвильову природу, проходячи через щілини, нахиляється і гойдається.

Це явище має назву відхилення і є на кожному слоті сітки. Хвилі, що розходяться з прорізами, накладаються один на одного і посилюються в певних місцях (різних для світла довжини хвилі і різного кольору), що називають випромінюванням.

Завдяки дифракції та інтерференції можна спостерігати спектр сонячного світла з кольорами, розташованими у зворотному порядку, ніж в призмі.

Дифракційні ґратки використовуються при будівництві спектрометрів – пристроїв, що використовуються для поділу світла на складові. Такий аналіз дозволяє визначити, які хімічні елементи входять в об’єкт.

Різноманітні способи використання дифракційних ґраток у спектрометрії
Різноманітні способи використання дифракційних ґраток у спектрометрії: у відбиваючій оптиці; у заломлюючій оптиці; у хвилеводах

Завдяки аналізу спектра вчені можуть визначити хімічний склад навіть дуже далеких зірок. Аналогічним чином перетворюються райдужні відблиски, що спостерігаються, коли світло відскакує від компакт-диска.

Коли необхідно розділити світло з різними довжинами хвиль з високою роздільною здатністю, дифракційна решітка є найкращим інструментом. Цей аспект дозволяє застосовувати дифракційну ґратку для вимірювання атомних спектрів як в лабораторних приладах, так і в телескопах.

Умова максимальної інтенсивності така ж, як і для подвійної щілини або декількох, але велика кількість зазорів забезпечує високу роздільну здатність для застосування в спектроскопії, тобто результат може відрізнятися.

Різні довжини хвиль дифрагують під різними кутами в залежності від класифікації сітки. Також важлива роздільна здатність дифракційної ґратки і деякі інші характеристики.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *