Що таке дифракційна решітка

Одним з важливих оптичних приладів, які знайшли своє застосування при аналізі спектрів випромінювання і поглинання, є дифракційна решітка. У даній статті наведена інформація, що дозволяє зрозуміти, що таке дифракційна решітка, в чому полягає принцип її роботи і як самостійно можна розрахувати положення максимумів на дифракційної картині, яку вона дає.

Дифракція і інтерференція

На початку XIX століття англійський вчений Томас Юнг, вивчаючи поведінку монохроматичного пучка світла при його поділі навпіл тонкою пластиною, отримав дифракційну картину. Вона представляла собою послідовність яскравих і темних смуг на екрані. Використовуючи уявлення про світло, як про хвилю, Юнг правильно пояснив результати своїх дослідів. Картина, яку він спостерігав, виникала завдяки явищам дифракції та інтерференції.

Явище дифракції

Під дифракцією розуміють викривлення прямолінійною траєкторії поширення хвилі, коли вона потрапляє на непрозоре перешкода. Дифракція може проявлятися в результаті огибания хвилею перешкоди (таке можливо, якщо довжина хвилі набагато більше перешкоди) або в результаті викривлення траєкторії, коли розміри перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі. Прикладом для останнього випадку є проникнення світла в щілини і невеликі круглі отвори.

Явище інтерференції

Явище інтерференції полягає в накладанні одних хвиль на інші. Результатом такого накладання є викривлення синусоїдальної форми результуючої хвилі. Окремими випадками інтерференції є або максимальне посилення амплітуди, коли дві хвилі приходять в розглянуту зону простору в одній фазі, або повне затухання хвильового процесу, коли обидві хвилі зустрічаються в даній зоні в протифазі.

Описані явища дозволяють зрозуміти, що таке дифракційна решітка і як вона працює.

Уже сама назва говорить, що таке дифракційна решітка. Вона являє собою об’єкт, який складається з періодично чергуються прозорих і непрозорих смуг. Отримати її можна, якщо поступово збільшувати число щілин, на які падає хвильовий фронт. Це поняття в загальному випадку може бути застосовано для будь-якої хвилі, проте використання воно знайшло лише для області видимого електромагнітного випромінювання, тобто для світла.

Дифракційну решітку прийнято характеризувати трьома головними параметрами:

  • Період d – це відстань між двома щілинами, через які проходить світло. Оскільки довжини світлових хвиль лежать в діапазоні кількох десятих мікрометра, то величина d має порядок 1 мкм.
  • Постійна решітка a – це кількість прозорих щілин, яке знаходяться на довжині 1 мм решітки. Постійна решітки обратна періоду d. Типовими її значеннями є 300-600 мм-1. Як правило, значення a написано на дифракційної решітці.
  • Загальна кількість щілин N. Цю величину легко отримати, якщо помножити довжину дифракційної решітки на її постійну. Так як типові довжини складають кілька сантиметрів, то кожна решітка містить близько 10-20 тисяч щілин.

Дифракційна решітка відображення

Вище було описано, що таке дифракційна решітка. Тепер відповімо на питання про те, що в дійсності вона собою являє. Існують два види таких оптичних об’єктів: прозорі і відображають.

Прозора решітка – це скляна тонка пластинка або пластинка з прозорого пластика, на яку нанесені штрихи. Штрихи дифракційної решітки є перешкодою для світла, через них він не може пройти. Ширина штриха – це і є вищезгаданий період d. Решта між штрихами прозорі зазори грають роль щілин. При виконанні лабораторних робіт використовують цей вид грат.

Відбиває решітка – це металева або пластикова відполірована пластинка, на яку замість штрихів нанесені борозенки певної глибини. Період d – це відстань між борозенками. Відображають решітки часто використовують при аналізі спектрів випромінювання, оскільки їх дизайн дозволяє розподіляти інтенсивність максимумів дифракційної картини на користь максимумів більш високого порядку. Оптичний диск CD – яскравий приклад цього виду дифракційної решітки.

Принцип роботи решітки

Для прикладу розглянемо прозорий оптичний прилад. Припустимо, що на дифракційну решітку падає світло, що має плоский фронт. Це дуже важливий момент, оскільки наведені нижче формули враховують, що хвильовий фронт є плоским і паралельним самої платівці (дифракція Фраунгофера). Розподілені по періодичному закону штрихи вносять в цей фронт обурення, в результаті якого на виході з пластинки створюється ситуація, ніби працюють безліч вторинних когерентних джерел випромінювання (принцип Гюйгенса-Френеля). Ці джерела призводять до появи дифракції.

Від кожного джерела (щілини між штрихами) поширюється хвиля, яка є когерентної всім іншим N-1 хвилях. Тепер припустимо, що на деякій відстані від пластинки поміщається екран (відстань повинна бути достатньою, щоб число Френеля було набагато менше одиниці). Якщо дивитися на екран уздовж перпендикуляра, проведеного до центру пластинки, то в результаті інтерференційного накладення хвиль від цих N джерел для деяких кутів θ будуть спостерігатися яскраві смуги, між якими буде тінь.

Оскільки умова інтерференційних максимумів є функцією довжини хвилі, то якщо падаючий на платівку світло був білим, на екрані будуть з’являтися різнокольорові яскраві смуги.

Посилання на основну публікацію