Волновая и геометрическая оптика. Дифракция. Дифракция очки


Новый облик оптики

# : 10 Сен 2006 , Первый после первой мировой , том 11, №5

Классическая оптика основывается на законах отражения и преломления света. Оптические элементы, составляющие ее базу – призмы, линзы, зеркала – давно достигли пределов совершенства. Дальнейшее развитие оптики связывают с элементами, отличительной особенностью которых является использование явления дифракции света на микро- и наноструктурах.

Дифракционная оптика (ее еще называют компьютерной, бинарной, плоской, голографической оптикой) – порождение века информационных технологий. Она обязана своим возникновением таким инструментам, как лазер и компьютер: создание дифракционных микроструктур потребовало применения специальных материалов и новых технологий формообразования поверхности. За последние двести лет оптики научились изготовлять лишь один дифракционный элемент – дифракционную решетку для спектральных приборов, для чего были созданы высокоточные механические гравировальные машины. Оборудование же для производства дифракционных элементов с произвольной топологией поверхности появилось только сегодня...

Очарован внезапною прелестью. Елки, думаешь, где ж это, братцы, я? И стоишь так с отвисшею челюстью, Но потом понимаешь: Дифракция! Игорь Иртеньев, «Пастораль II»

В основе обычной, классической оптики лежат законы отражения и преломления света. Основу ее составляют линзы, призмы, зеркала – оптические элементы, давно достигшие предела совершенства. Классическая оптика основывается на законах отражения и преломления света. Оптические элементы, составляющие ее базу – призмы, линзы, зеркала – давно достигли пределов совершенства. Дальнейшее развитие оптики связывают с элементами, отличительной особенностью которых является использование явления дифракции света на микро- и наноструктурах.

Дифракционная оптика (ее еще называют компьютерной, бинарной, плоской, голографической оптикой) – порождение века информационных технологий. Она обязана своим возникновением таким инструментам, как лазер и компьютер: создание дифракционных микроструктур потребовало применения специальных материалов и новых технологий формообразования поверхности. За последние двести лет оптики научились изготовлять лишь один дифракционный элемент – дифракционную решетку для спектральных приборов, для чего были созданы высокоточные механические гравировальные машины. Оборудование же для производства дифракционных элементов с произвольной топологией поверхности появилось только сегодня.

Преобразование плоско-выпуклой линзы в киноформную линзу: Обычную плоско-выпуклую линзу (1) можно геометрическим способом преобразовать в тонкую дифракционную структуру (2). Для этого линзу делим на тонкие слои одинаковой толщины h = Nλ/ (n — 1), где λ — длина волны света, n — коэффициент преломления материала линзы, N — целое число. Число слоев может быть различным: например, если исходная линза имеет толщину мм, то при λ=0,5 мкм, и (стекло) число слоев толщиной 1 мкм будет равно 5000. На плоской поверхности различные слои можно объединять в дискретную ступенчатую структуру линиями, параллельными оптической оси. Полученная структура с максимальной высотой h и будет называться дифракционной или киноформной линзой. Число зон с радиусами r1… rк в линзе будет равно числу слоев, а их ширина будет уменьшаться к периферии. Внизу: трехмерная модель киноформной линзы

Человеческий глаз воспринимает электромагнитное излучение с длиной волны от 400 нм (фиолетовый свет) до 750 нм (красный свет). При взаимодействии со структурой дифракционного элемента световая волна испытывает отклонение – возникает явление дифракции. Если световое излучение имеет несколько длин волн («белый» свет), то, проходя или отражаясь от дифракционного элемента, оно разлагается в спектре в виде радуги

Дифракционные оптические элементы (ДОЭ) и голограммы незаметно, но уверенно входят в нашу жизнь. Когда в магазине кассир считывает код с товаров, он пользуется лазерным устройством, где ДОЭ выполняет одновременно несколько функций: формирует лазерный пучок, направляет его на штриховой код и собирает отраженное излучение на фотоприемник. Так называемая «лазерная игла» проигрывателей компакт-дисков содержит дифракционную линзу, помогающую сформировать световой пучок, размером не превышающий доли микрона. Дифракционные элементы широко используются в измерительной технике, оптике лазеров, военной технике.

Голограммы, играющие всеми цветами радуги, защищают от подделки, сопровождая ценные бумаги, банкноты, визы в паспорте и фирменные знаки. Выпускаются специальные голографические почтовые марки, создающие объемное изображение. Появились книги с иллюстрациями, где цвет возникает за счет разложения белого света после отражения от рельефной дифракционной отражательной решетки. В повседневную практику вошли так называемые «голографические ключи», содержащие биометрические данные хозяина квартиры или офиса. И подобных примеров применения новых оптических элементов с каждым днем становится все больше и больше…

Потенциальные возможности широкого применения дифракционных элементов до последнего времени сдерживались отсутствием технологий создания поверхностного микрорельефа, имеющего минимальные размеры около половины микрона и сложную трехмерную форму, при том что общие размеры элементов могут достигать метров в диаметре. Поэтому методы изготовления ДОЭ существенно отличаются от методов изготовления тех же микросхем.

Дифракция – дело тонкое

Принципы работы дифракционных оптических элементов и их отличия от обычных, рефракционных, удобнее всего рассмотреть на примере линзы – базового элемента как классической, так и дифракционной оптики. Линза предназначена для фокусировки света и построения изображений объектов, т. е. для геометрических и волновых преобразований световых пучков. Например, входящий параллельный пучок (плоскую волну) она преобразует в сходящийся пучок (в сферическую волну).

Сложный многолинзовый объектив и превосходящая его по качеству фокусировки тонкая дифракционная линза, изготовленная в ИАиЭ СО РАН. Справа внизу: фотография лазерного пятна, сфокусированного дифракционной линзой с числовой апертурой NA = 0,65

Д. ГАБОР: «БУДУЩЕЕ НЕЛЬЗЯ ПРЕДВИДЕТЬ, НО МОЖНО ИЗОБРЕСТИ» Периодические решетки всегда вызывали большой интерес, поскольку их способность разлагать свет в спектр сделала их мощным аналитическим инструментом физиков. Само явление дифракции было обнаружено давно, но первую дифракционную решетку изготовил в 1785 г. американский астроном Д. Риттенхауз, навив волос между двух винтов с очень мелкой резьбой.

Почти через 40 лет ее заново «изобрел» немецкий физик Дж. Фраунгофер. Будучи прекрасным механиком, он создал первую механическую машину для нарезания периодических решеток с помощью алмазного резца в тонком слое золота, нанесенном на поверхность стеклянной пластины. Его решетки были так хороши, что он смог измерить линии поглощения в солнечном спектре (линии Фраунгофера). Технология дифракционной оптики развивалась в те годы в основном для нужд спектроскопии, хотя в 1875 г. Ж. Соре создал кольцевую дифракционную решетку, позволявшую фокусировать до 10 % световой энергии.

«Отец» современных дифракционных решеток американец Г. Роуланд в конце XIX в. сконструировал серию гравировальных машин для нарезания дифракционных решеток с периодом до 1,5 мкм и размером до 18 см. Он же изготовил первые дифракционные решетки на сферических поверхностях, выполняющие одновременно роль решетки и фокусирующей линзы.

В 1955 г. Дж. Харрисон впервые применил интерферометр (измерительный прибор, использующий явление интерференции волн) для контроля перемещения алмазного резца. Координату резца стали измерять в долях длины волны монохроматического света, что позволило компенсировать вибрации и ошибки механической системы станка. Такая сверхточная обработка оптических поверхностей широко используется и в настоящее время.

В 1948 г. венгр, будущий нобелевский лауреат Д. Габор предложил метод оптической голографии — метод записи, воспроизведения и преобразования волновых полей, основанный на интерференции и дифракции световых волн. Использование лазера для записи голограммы натолкнуло на идею использовать ее в качестве оптического элемента, преобразующего лазерное излучение.

В 1960-х гг. была разработана технология изготовления дифракционных решеток, основанная на создании периодического распределения интенсивности в специальных фотоматериалах в результате интерференции лазерного излучения. Такие голографические решетки очень высокого качества получили широкое распространение. Однако оптическая голография позволяла создавать голограммы только реально существующих объектов. Но поскольку голограмма, запечатленная на фотопленке, есть не что иное, как неоднородное почернение фотоэмульсии, то последнее можно создать искусственно, т. е. синтезировать голограмму, рассчитав ее структуру с помощью компьютера. Эта идея была впервые предложена и реализована немецким физиком А. Ломаном в 1966 г.

Уже через три года специалисты фирмы IBM, используя современную по тем временам вычислительную технику, создали фокусирующий дифракционный элемент с непрерывным профилем и назвали его «киноформ». А еще через год были проведены первые эксперименты по созданию ДОЭ с использованием технологий микроэлектроники, начавшей в то время бурно развиваться.

Между дифракционной и классической конфигурациями линз имеется ряд существенных различий. Во-первых, в обычной линзе длина оптического пути от любой точки объекта до его изображения является постоянной (принцип Ферма). Линза работает за счет явлений рефракции на ее поверхности. Условно линзу можно представить как совокупность призм с разными углами, возрастающими от центра к периферии, поэтому различны и углы преломления световых лучей, попадающих на каждую из призм.

В дифракционной линзе длина оптического пути на границах зон претерпевает скачки, равные Nλ (где N – целое число). Она работает за счет явлений дифракции на круговой решетке, шаг которой уменьшается к периферии линзы. При N>>1 дифракционная структура практически переходит в рефракционную, т. е. класс ДОЭ по сути включает в себя рефракционные элементы.

Простейшие преобразования световых пучков, выполняемые рефракционными (верхний ряд) и дифракционными (нижний ряд) оптическими элементами, – отклонение: призма отклоняет световой пучок на угол aр=b(n-1), причем у большинства оптических материалов коэффициент преломления увеличивается с уменьшением длины волны: пучок синего света отклонится больше, чем красный. Аналог призмы – дифракционная решетка с пилообразной формой рельефа – отклоняет свет на угол aд=l/s (s – период решетки) (а), светоделение: если рельеф дифракционной решетки имеет прямоугольную форму и глубину, в два раза меньшую, чем у пилообразной решетки, световой пучок разделится в основном на два, равных по интенсивности. Можно подобрать такую форму рельефа, что дифракционный элемент будет делить входной световой пучок на любое заданное число пучков (б) и фокусировка: Дифракционная линза является не просто аналогом обычной рефракционной линзы, а имеет существенное преимущество: она фокусирует световой пучок в пятно, определяемое только дифракцией на ее апертуре, т. е. свободна от аберраций и может заменить сложный многолинзовый объектив. Фокусное расстояние (F) дифракционной линзы диаметром D можно оценить по формуле: (в)

Важной особенностью дифракционной линзы является ее очень малая толщина.

Дифракционные элементы можно использовать также при создании так называемых гибридных линз, сочетая их с рефракционными элементами. Так как знаки дисперсии света в дифракционных и рефракционных элементах противоположны, то благодаря такой оптической гибридизации можно построить оптический элемент, практически не имеющий хроматизма, т. е. способный работать в белом свете. Эти свойства используются при создании проигрывателей DVD-дисков, приборов ночного видения и даже искусственного хрусталика глаза.

Сибирский лазерный станок

Исследования в области дифракционной оптики были начаты в Институте автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО АН СССР в начале 1970-х. На первом этапе ученые пытались изготовить линзу – базовый дифракционный элемент – путем фотографирования интерференционной картины с круговой симметрией, создаваемой специальным интерферометром Фабри-Перо. Линзу удавалось получить за одну экспозицию, однако для каждого нового элемента нужно было создавать новый интерферометр…

Гибридная дифракционно-рефракционная линзаТолчком к созданию универсального метода изготовления ДОЭ послужили работы американского профессора А. Корпеля. В 1975 г. на первом советско-американском семинаре по оптической обработке информации он продемонстрировал приставку к телевизору, показывающую цветной фильм с видеопластинки диаметром 30 см. Корпель считал, что будущее – за технологией прямой лазерной записи на вращающийся диск.

После семинара В. П. Коронкевич предложил создать в ИАиЭ лазерную записывающую систему (ЛЗС), которая могла бы записывать цифровую информацию на диск – «Видеодиск». Однако вскоре стало ясно, что соревноваться с крупными фирмами-производителями видеодисков неперспективно, и было решено использовать созданную систему для записи дифракционной оптики.

Поскольку большинство оптических систем обладает вращательной симметрией относительно оптической оси, разработанное устройство предназначалось для записи ДОЭ в полярной системе координат, что позволило значительно увеличить скорость записи. Конструкция первой ЛЗС напоминала токарный станок, где роль резца выполнял сфокусированный пучок аргонового лазера. В 1980-х годах на этой системе были изготовлены дифракционные элементы диаметром до 20 см и минимальными размерами структуры до 1 мкм.

Важное отличие дифракционной линзы от классической – очень малая толщина: при одинаковой оптической силе она может быть в тысячи раз тоньше

Известно, что лазерное излучение можно сфокусировать в пятно с размером меньше длины волны света, получив в нем гигантскую плотность мощности: расположенное в фокусе вещество может быть практически мгновенно нагрето до температуры в несколько тысяч градусов. При таких быстрых перепадах температур характеристики многих веществ меняются. Поэтому, управляя перемещением лазерного пятна и мощностью лазерного излучения, поверхности можно придать требуемые свойства и форму.

В качестве светочувствительных материалов в ИАиЭ сначала использовались тонкие пленки халькогенидных стекол – стеклообразных полупроводников, содержащих химические элементы VI группы периодической таблицы (сера, селен и т. д.).

Лазерная термохимическая технология изготовления микрорельефа ДОЭ с прямоугольным профилем, разработанная в лаборатории лазерных технологий ИАиЭ СО РАНЗатем стали исследовать возможности записи ДОЭ путем испарения пленок хрома, и уже в первых экспериментах был случайно обнаружен термохимический эффект образования в них скрытого изображения. (Позже стало известно, что подобная технология ранее была открыта ленинградской группой исследователей.) Достоинство этой технологии в том, что хром можно очень равномерно нанести на поверхности практически любых размеров, и дифракционная структура формируется точно в тех местах, где воздействовало лазерное излучение.

Таким путем удалось получить рельеф с минимальными размерами в доли микрона. Этот метод записи высококачественных дифракционных амплитудных элементов, штриховых и угловых шкал, кодовых дисков, сеток и различного рода фотошаблонов сразу привлек к себе внимание оптической промышленности — до этого все работы велись исключительно на инициативной основе.

В 1980—90-е гг. методы лазерной записи постоянно совершенствовались. Совместно с НПО «ЛУЧ» (г. Подольск) были изготовлены первые в России мастер-диски для магнитооптической памяти. Созданная в ИАиЭ ЛЗС второго поколения стала прототипом коммерческой версии (CLWS-300С), разработанной совместно с Конструкторско-технологическим институтом научного приборостроения СО РАН. Эта система была закуплена научными и производственными центрами не только России, но и Германии, Италии, Китая.

Недавно в ИАиЭ была разработана ЛЗС нового поколения CLWS-200, меньшая по размерам, но по техническим характеристикам превосходящая все предыдущие системы

В дальнейшем были освоены новые материалы для оптической записи – фоторезисты, аморфный кремний, LDW-стекла и др., что позволило создать новые классы дифракционных элементов.

Применение ДОЭ: дела небесные...

Применение дифракционных элементов в ряде случаев открывает совершенно новые уникальные возможности в самых разных областях – от медицины до космических исследований.

Один из способов контроля больших асферических зеркал, разработанный в ИАиЭ, согласно которому дифракционный элемент выполняет роль корректора волнового фронта. Еще один способ основан на имитации зеркала отражательным ДОЭ, чья структура отражает световой поток назад точно так, как это бы делало идеальное зеркало. В процессе работы оптики могут сравнивать форму полируемого зеркала с эталоном, которым служит имитатор

Яркий пример – телескопы, до сих пор остающиеся самыми мощными инструментами познания Вселенной. Первый в мире телескоп, созданный Галилеем в 1609 г., имел диаметр зрачка 5 см. За четыре столетия размер зеркал телескопов достиг 10 м, а в планах ученых – создание гигантов с размером зеркал до 100 м! Такие телескопы позволят разглядеть на Луне предмет размером с мяч и различить планеты земного типа у ближайших звезд.

Однако мало просто изготовить гигантское зеркало, его нужно тщательно проверить, иначе огромный труд и средства будут потеряны. Параболическая поверхность зеркала телескопа должна быть выполнена с точностью в сотые доли микрона. Другими словами, если увеличить 8-метровое зеркало до размеров Черного моря, рябь поверхности должна быть менее 1 мм. Поэтому необходим эталон, с которым бы оптики постоянно сравнивали результаты своего труда. Оказалось, что для этой цели идеально подходят дифракционные оптические элементы.

Первое изображение (галактика NGC891, 12 октября 2005 г.), полученное с помощью Большого бинокулярного телескопа. Дифракционный элемент диаметром 21 см, созданный для контроля зеркала Большого бинокулярного телескопа диаметром 8,4 м

Методы записи, разработанные в ИАиЭ СО РАН, позволили изготовить уникальные дифракционные оптические элементы для контроля 6,5- и 8,4-метрового зеркал телескопа Магеллан и Большого бинокулярного телескопа? разработанных в Стюардовской обсерватории университета Аризоны (г. Туссон, США). Оба телескопа уже дали «первый свет»

Метод контроля астрономических зеркал с применением ДОЭ был разработан относительно недавно и сейчас применяется при создании всех больших зеркал. Толчком к этому послужила история с космическим телескопом Хаббл, когда 2,4-метровое зеркало было отполировано без контроля с использованием ДОЭ. В результате форма поверхности зеркала стала отличаться от заданной всего на 0,5 микрона, но это в 10 раз ухудшило разрешающую способность телескопа! Понадобилась специальная экспедиция на корабле Шаттл для его коррекции.

Особенностью ДОЭ для контроля больших астрономических зеркал являются их относительно большие размеры – до 250 мм при минимальных размерах дифракционной структуры около 0,5 мкм, причем зоны на поверхности такого ДОЭ должны быть нанесены с погрешностью не более 50 нм.

Длиннофокусная дифракционная линза, нанесенная на тонкую пленку, может использоваться в качестве объектива космического телескопа. Обычное зеркало отражает свет, поэтому все неровности поверхности будут с удвоенной амплитудой искажать волновой фронт (а). Свет же, проходящий сквозь изогнутую тонкую подложку дифракционного элемента, искажается значительно слабее (в 10 тыс. раз при толщине подложки в 0,1 мм) (б). Согласно проекту американских ученых, дифракционный телескоп будет состоять из космических кораблей, несущих 25-метровую линзу и 1-метровый окуляр (см. рисунок вверху). Дистанция между кораблями будет примерно равна фокусному расстоянию линзы (1 км). Окуляр будет собирать свет, поступающий от дифракционной линзы, и осуществлять цветовую коррекцию

Однако дифракционные элементы могут быть не только помощниками при создании зеркал телескопов, но и их прямыми конкурентами! Недавно ученые Ливерморской лаборатории (США) предложили оригинальный проект, в котором в качестве объектива космического телескопа используется длиннофокусная дифракционная линза, нанесенная на тонкую пленку. Такая линза, в отличие от зеркала, значительно менее чувствительна к неровностям поверхности, что существенно при больших размерах. При диаметре 25 м такая линза будет весить всего около 100 кг, в то время как в 10 раз меньшее зеркало телескопа Хаббл весит 800 кг.

Сейчас уже созданы прототипы дифракционных линз диаметром около 1 м и получены изображения Луны, планет, пятен на Солнце.

…и дела земные

Основные оптические характеристики хрусталика глаза здорового человека – прозрачность, способность к поглощению ультрафиолетовых лучей, а также к фокусировке как дальних, так и ближних объектов. Катаракта любого происхождения приводит к потере всех перечисленных функций, поэтому имплантация искусственного хрусталика (интраокулярной линзы, ИОЛ) после удаления пораженного является на сегодня самым эффективным средством в современной хирургии глаза.

Слева: глаз человека с имплантированным искусственным хрусталиком. F1 и F2 – фокусы для ближнего и дальнего зрения. Справа: глаз человека, пораженный катарактой

Сегодня в мире ежегодно имплантируется несколько миллионов искусственных хрусталиков. Как правило, используют обычные однофокусные рефракционные линзы, позволяющие восстановить две из трех основных функций естественной линзы глаза. Проблема аккомодации (т. е. ясного зрения на различных расстояниях) такими линзами не решается.

Создать условия псевдоаккомодации возможно благодаря применению гибридных (дифракционно-рефракционных) линз, одновременно формирующих изображения ближних и дальних предметов. Клинические испытания показали, что мозг человека после некоторой тренировки способен выделить нужное изображение дальних или ближних объектов. Поэтому после имплантации гибридных ИОЛ можно отказаться от очков.

Разработанная в ИАиЭ гибридная интраокулярная линза состоит из традиционной рефракционной линзы, на одну из поверхностей которой нанесена специальная дифракционная микроструктура в виде круговой дифракционной решетки с пилообразным профилем. Гибридная ИОЛ формирует два фокуса одновременно всей поверхностью, при этом бифокальность не зависит от диаметра зрачка. Для уменьшения вероятности биологических отложений на перепадах глубины микрорельефа линзы были сформированы пологие скаты между дифракционными зонами.

Вверху: этапы операции по имплантации искусственного хрусталика в Новосибирском филиале МНТК «Микрохирургия глаза». Справа внизу: гибридная интраокулярная линза «Аккорд» (а), разработанная в ИАиЭ СО РАН, изготовленная в НПП «Репер» (г. Нижний Новгород) из эластичного полимера, и интерферограмма одной из ее дифракционных зон (б). Слева внизу: матрица для изготовления линзы

Линзы «Аккорд» проходят в настоящее время первую стадию клинических испытаний в Новосибирском филиале МНТК «Микрохирургия глаза». Линза уже имплантирована нескольким десяткам пациентов. Послеоперационное исследование зрительных функций показало, что все пациенты хорошо видят дальние объекты и могут читать газету без очков. Ряду пациентов линзы «Аккорд» были имплантированы в оба глаза с целью устранения пресбиопии (старческой дальнозоркости). Это открывает большие возможности коррекции зрительных нарушений хирургическим путем, в том числе и у лиц пожилого возраста.

Подводя итог, хочется отметить, что дифракционные оптические элементы не являются конкурентами традиционных. Тем не менее сегодня очевидно, что будущее оптики неразрывно связано с разработкой и совершенствованием именно этих оптических элементов, обладающих поистине безграничными возможностями.

Оценить же уровень разработок сибирских оптиков проще всего, ознакомившись с отзывами коллег-ученых, посетивших ИАиЭ.

Основатель цифровой голографии профессор А. Ломан (Германия): «Ваша машина с ее точным интерферометрическим управлением и гибким компьютерным контролем великолепна. Материал, выбранный для записи, тоже хорош. Вы можете создать множество очень полезных плоских оптических элементов».

Профессор Г. Арсено (Канада): «Я поражен вашей машиной для изготовления киноформов, и не только вследствие ее огромной полезности, но и потому, что свет используется для создания элементов, преобразующих свет. Обработка материалов светом приносит духовное удовлетворение. Возможно, Микеланджело света появится именно в вашей лаборатории…».

# : 10 Сен 2006 , Первый после первой мировой , том 11, №5

scfh.ru

Дифракция света | ЭТО ФИЗИКА

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона, но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным. Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т.Юнгом. Независимо от него в 1818 г. французский ученый О.Френель развил количественную теорию дифракционных явлений. В основу теории Френель положил принцип Гюйгенса, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. Принцип Гюйгенса в его первоначальном виде позволял находить только положения волновых фронтов в последующие моменты времени, т. е. определять направление распространения волны. По существу, это был принцип геометрической оптики. Гипотезу Гюйгенса об огибающих вторичных волнах Френель заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом. Принцип Гюйгенса–Френеля также представлял собой определенную гипотезу, но последующий опыт подтвердил ее справедливость. В ряде практически важных случаев решение дифракционных задач на основе этого принципа дает достаточно хороший результат. Рис. 3.8.1 иллюстрирует принцип Гюйгенса–Френеля.

Рисунок 3.8.1.

Принцип Гюйгенса–Френеля. ΔS1 и ΔS2 – элементы волнового фронта,  и   – нормали

Пусть поверхность S представляет собой положение волнового фронта в некоторый момент. В теории волн под волновым фронтом понимают поверхность, во всех точках которой колебания происходят с одним и тем же значением фазы (синфазно). В частности, волновые фронта плоской волны – это семейство параллельных плоскостей, перпендикулярных направлению распространения волны. Волновые фронта сферической волны, испускаемой точечным источником – это семейство концентрических сфер.

Для того чтобы определить колебания в некоторой точке P, вызванное волной, по Френелю нужно сначала определить колебания, вызываемые в этой точке отдельными вторичными волнами, приходящими в нее от всех элементов поверхности S (ΔS1, ΔS2 и т. д.), и затем сложить эти колебания с учетом их амплитуд и фаз. При этом следует учитывать только те элементы волновой поверхности S, которые не загораживаются каким-либо препятствием.

Рассмотрим в качестве примера простую дифракционную задачу о прохождении плоской монохроматической волны от удаленного источника через небольшое круглое отверстие радиуса R в непрозрачном экране (рис. 3.8.2).

Рисунок 3.8.2.

Дифракция плоской волны на экране с круглым отверстием

Точка наблюдения P находится на оси симметрии на расстоянии L от экрана. В соответствии с принципом Гюйгенса–Френеля следует мысленно заселить волновую поверхность, совпадающую с плоскостью отверстия, вторичными источниками, волны от которых достигают точки P. В результате интерференции вторичных волн в точке P возникает некоторое результирующее колебание, квадрат амплитуды которого (интенсивность) нужно определить при заданных значениях длины волны λ, амплитуды A0 падающей волны и геометрии задачи. Для облегчения расчета Френель предложил разбить волновую поверхность падающей волны в месте расположения препятствия на кольцевые зоны (зоны Френеля) по следующему правилу: расстояние от границ соседних зон до точки P должны отличается на половину длины волны, т. е.

Если смотреть на волновую поверхность из точки P, то границы зон Френеля будут представлять собой концентрические окружности (рис. 3.8.3).

Рисунок 3.8.3.

Границы зон Френеля в плоскости отверстия

Из рис. 3.8.2 легко найти радиусы ρm зон Френеля:

Так в оптике λ << L, вторым членом под корнем можно пренебречь. Количество зон Френеля, укладывающихся на отверстии, определяется его радиусом R:

Здесь m – не обязательно целое число. Результат интерференции вторичных волн в точке P зависит от числа m открытых зон Френеля. Легко показать, что все зоны имеют одинаковую площадь:

Одинаковые по площади зоны должны были бы возбуждать в точке наблюдения колебания с одинаковой амплитудой. Однако у каждой последующей зоны угол α между лучом, проведенным в точку наблюдения, и нормалью к волновой поверхности возрастает. Френель высказал предположение (подтвержденное экспериментом), что с увеличением угла α амплитуда колебаний уменьшается, хотя и незначительно:

A1 > A2 > A3 > ... > A1,

где Am – амплитуда колебаний, вызванных m-й зоной.

С хорошим приближением можно считать, что амплитуда колебаний, вызываемых некоторой зоной, равна среднему арифметическому из амплитуд колебаний, вызываемых двумя соседними зонами, т. е.

Так как расстояния от двух соседних зон до точки наблюдения отличаются на λ / 2, следовательно, возбуждаемые этими зонами колебания находится в противофазе. Поэтому волны от любых двух соседних зон почти гасят друг друга. Суммарная амплитуда в точке наблюдения есть

A = A1 – A2 + A3 – A4 + ... = A1 – (A2 – A3) – (A4 – A5) – ... < A1.

Таким образом, суммарная амплитуда колебаний в точке P всегда меньше амплитуды колебаний, которые вызвала бы одна первая зона Френеля. В частности, если бы были открыты все зоны Френеля, то до точки наблюдения дошла бы невозмущенная препятствием волна с амплитудой A0. В этом случае можно записать:

так как выражения, стоящие в скобках, равны нулю. Следовательно, действие (амплитуда), вызванное всем волновым фронтом, равно половине действия одной первой зоны.

Итак, если отверстие в непрозрачном экране оставляет открытой только одну зону Френеля, то амплитуда колебаний в точке наблюдения возрастает в 2 раза (а интенсивность – в 4 раза) по сравнению с действием невозмущенной волны. Если открыть две зоны, то амплитуда колебаний обращается в нуль. Если изготовить непрозрачный экран, который оставлял бы открытыми только несколько нечетных (или только несколько четных) зон, то амплитуда колебаний резко возрастет. Например, если открыты 1, 3 и 5 зоны, то

Такие пластинки, обладающие свойством фокусировать свет, называются зонными пластинками.

При дифракции света на круглом диске закрытыми оказываются зоны Френеля первых номеров от 1 до m. Тогда амплитуда колебаний в точке наблюдения будет равна

или A = Am + 1 / 2, так как выражения, стоящие в скобках, равны нулю. Если диск закрывает зоны не слишком больших номеров, то Am + 1 ≈ 2A0 и A ≈ A0, т. е. в центре картины при дифракции света на диске наблюдается интерференционный максимум. Это – так называемое пятно Пуассона, оно окружено светлыми и темными дифракционными кольцами.

Оценим размеры зон Френеля. Пусть, например, дифракционная картина наблюдается на экране, расположенном на расстоянии L = 1 м от препятствия. Длина волны света λ = 600 нм (красный свет). Тогда радиус первой зоны Френеля есть

Таким образом, в оптическом диапазоне вследствие малости длины волны размер зон Френеля оказывается достаточно малым. Дифракционные явления проявляются наиболее отчетливо, когда на препятствии укладывается лишь небольшое число зон:

Это соотношение можно рассматривать как критерий наблюдения дифракции. Если число зон Френеля, укладывающихся на препятствии, становится очень большим, дифракционные явления практически незаметны:

Это сильное неравенство определяет границу применимости геометрической оптики. Узкий пучок света, который в геометрической оптике называется лучом, может быть сформирован только при выполнении этого условия. Таким образом, геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики.

Выше был рассмотрен случай дифракции света от удаленного источника на препятствиях круглой формы. Если точечный источник света находится на конечном расстоянии, то на препятствие падает сферически расходящаяся волна. В этом случае геометрия задачи несколько усложняется, так как теперь зоны Френеля нужно строить не на плоской, а на сферической поверхности (рис. 3.8.4).

Рисунок 3.8.4.

Зоны Френеля на сферическом фронте волны

Расчет приводит к следующему выражению для радиусов ρm зон Френеля на сферическом фронте волны:

Все выводы изложенной выше теории Френеля остаются справедливыми и в этом случае.

Следует отметить, что теория дифракции (и интерференции) световых волн применима к волнам любой физической природы. В этом проявляется общность волновых закономерностей. Физическая природа света в начале XIX века, когда Т.Юнг, О.Френель и другие ученые развивали волновые представления, еще не была известна.

www.its-physics.org

в чем заключается, где встречается в быту (природе, искусстве)

Дифракция и дисперсия — такие красивые и похожие слова, которые звучат как музыка для ушей физика! Как все уже догадались, сегодня мы говорим уже не о геометрической оптике, а о явлениях, обусловленных именно волновой природой света.

Дисперсия света

Итак, в чем заключается явление дисперсии света? В прошлой статье мы рассмотрели закон преломления света. Тогда мы не задумывались, а точнее — не вспоминали о том, что свет (электромагнитная волна) имеет определенную длину. Давайте вспомним:

Свет – электромагнитная волна. Видимый свет – это волны, имеющие длину в интервале от 380 до 770 нанометров.

Так вот, еще старина Ньютон заметил, что показатель преломления зависит от длины волны. Другими словами, красный свет, падая на поверхность и преломляясь, отклонится на другой угол, нежели желтый, зеленый и так далее. Эта зависимость и называется дисперсией.

Дисперсия

Радуга — результат дисперсии

Пропуская белый свет через призму, можно получить спектр, состоящий из всех цветов радуги. Это явление напрямую объясняется дисперсией света. Раз показатель преломления зависит от длины волны, значит, он зависит и от частоты. Соответственно, скорость света для разных длин волн в веществе также будет различна

Дисперсия света – зависимость скорости света в веществе от частоты.

Где применяется дисперсия света? Да повсюду! Это не только красивое слово, но и красивое явление. Дисперсия света в быту, природе, технике и искусстве. Вот, например, дисперсия красуется на обложке альбома группы Pink Floyd.

Дисперсия

Дисперсия и Пинк Флойд

Дифракция света

Перед дифракцией нужно сказать про ее «подругу» — интерференцию. Ведь интерференция и дифракция света — это явления, которые наблюдаются одновременно.

Интерференция света – это когда две когерентные световые волны при наложении усиливают друг друга или наоборот ослабляют.

Волны является когерентными, если разность их фаз постоянна во времени, а при сложении получается волна той же частоты. Будет результирующая волна усилена (интерференционный максимум) или наоборот ослаблена (интерференционный минимум) — зависит от разности фаз колебаний. Максимумы и минимумы при интерференции чередуются, образуя интерференционную картину.

Интерференция

Интерференция волн

Дифракция света – еще одно проявления волновых свойств. Казалось бы, луч света всегда должен распространяться по прямой. Но нет! Встречая препятствие, свет отклоняется от первоначального направления как бы огибая преграду. Какие условия необходимы для наблюдения дифракции света? Собственно, это явление наблюдается на предметах любых размеров, но на больших предметах его наблюдать трудно и почти невозможно. Лучше всего это удается сделать  на препятствиях, сопоставимых по размерам с длиной волны. В случае со светом — это очень маленькие препятствия.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления при прохождении вблизи преграды.

Дифракция проявляется не только для света, но и для других волн. Например, для звуковых. Или для волн на море. Отличный пример дифракции – это то, как мы слышим песню группы Пинк Флойд из проезжающей мимо машины, когда сами стоим за углом. Если бы звуковая волна распространялась прямо, она бы просто не достигла наших ушей, и мы бы стояли в полной тишине. Согласитесь, скучно. Зато с дифракцией гораздо веселее.

Дифракция

Дифракция в природе. Паутина работает, как дифракционная решетка

Для наблюдения явления дифракции используется специальный прибор – дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой систему препятствий, которые по размеру сопоставимы с длиной волны. Это специальные параллельные штрихи, выгравированные на поверхности металлической или стеклянной пластины. Расстояние между краями соседних щелей решетки называется периодом решетки или ее постоянной.

Что происходит со светом при прохождении дифракционной решетки? Попадая на решетку и встречая препятствие, световая волна проходит через систему прозрачных и непрозрачных областей, в результате чего разбивается на отдельные пучки когерентного света, которые после дифракции интерферируют друг с другом. Каждая длина волны отклоняется при этом на определенный угол, и происходит разложение света в спектр. В результате мы наблюдаем дифракцию света на решетке

Дифракция света

Работа дифракционной решетки

Формула дифракционной решетки:

формула дифракционной решетки

Здесь d – период решетки, фи – угол отклонения света после прохождения решетки, k – порядок дифракционного максимума, лямбда – длина волны.

Сегодня мы узнали, в чем чем заключается явления дифракции и дисперсии света. В курсе оптики очень сильно распространены задачи по теме интерференция, дисперсия и дифракция света. Авторы учебников очень любят подобные задачи. Чего нельзя сказать о тех, кому приходится их решать. Если Вы хотите легко справиться с заданиями, разобраться в теме, а заодно и сэкономить время, обратитесь к нашим авторам. Они помогут  Вам справиться с любой задачей!

zaochnik.ru

Дифракция света

Занимательные фишки - 7 класс Занимательные фишки - 8 класс Занимательные фишки - 9 класс 10-11 класс Диафильмы по физике

«Физика - 11 класс»

Если свет представляет собой волновой процесс, то наряду с интерференцией должна наблюдаться и дифракция света. Ведь дифракция — огибание волнами краев препятствий — присуща любому волновому движению. Но наблюдать дифракцию света нелегко, так как волны отклоняются от прямолинейного распространения на заметные углы только на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световой волны, как мы с вами знаем, очень мала.

Пропуская тонкий пучок света через маленькое отверстие, можно наблюдать нарушение закона прямолинейного распространения света: светлое пятно на экране против отверстия будет иметь бо́льшие размеры, чем размеры пучка.

Опыт Юнга

В 1802 г. Т. Юнг, открывший интерференцию света, поставил классический опыт по дифракции. В непрозрачной ширме он проколол булавкой два маленьких отверстия В и С на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют ведь только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия Л возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. Вследствие дифракции от отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции этих двух световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий, Юнг обнаружил, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем весьма точно.

Теория Френеля

Исследование дифракции было завершено в работах О. Френеля. Френель не только более детально исследовал различные случаи дифракции на опыте, но и разработал количественную теорию дифракции, позволяющую в принципе рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий. Им же было впервые объяснено прямолинейное распространение света в однородной среде на основе волновой теории.

Этих успехов Френель добился, объединив принцип Гюйгенса с идеей интерференции вторичных волн. Согласно идее Френеля каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, причем все вторичные источники когерентны (принцип Гюйгенса — Френеля).

Для того чтобы вычислить амплитуду световой волны в любой точке пространства, надо мысленно окружить источник света замкнутой поверхностью. Интерференция волн от вторичных источников, расположенных на этой поверхности, определяет амплитуду в рассматриваемой точке пространства.

Такие расчеты позволили понять, каким образом свет от точечного источника S, испускающего сферические волны, достигает произвольной точки В пространства. Если рассмотреть вторичные источники на сферической волновой поверхности радиусом R, то результат интерференции вторичных волн от этих источников в точке В оказывается таким, как если бы лишь вторичные источники на малом сферическом сегменте ab посылали свет в точку В. Вторичные волны, испущенные источниками, расположенными на остальной части поверхности, гасят друг друга в результате интерференции. Поэтому все происходит так, как если бы свет распространялся вдоль прямой SB, т. е. прямолинейно.

На основе этой теории Френель доказал прямолинейность распространения света и рассмотрел количественно дифракцию на различного рода препятствиях.

Дифракционные картины от различных препятствий

Расчеты, сделанные Френелем, полностью были подтверждены экспериментом. Из-за того что длина световой волны очень мала, угол отклонения света от направления прямолинейного распространения невелик. Поэтому для отчетливого наблюдения дифракции нужно либо использовать очень маленькие препятствия, либо не располагать экран далеко от препятствий. При расстоянии между препятствием и экраном порядка метра размеры препятствия не должны превышать сотых долей миллиметра. Если же расстояние до экрана достигает сотен метров или нескольких километров, то дифракцию можно наблюдать на препятствиях размерами в несколько сантиметров и даже метров.

На рисунке схематично показаны дифракционные картины от различных препятствий: а — от тонкой проволочки; б — от круглого отверстия; в — от круглого экрана.

Вместо тени от проволочки видны светлые и темные полосы; в центре дифракционной картины от отверстия появляется темное пятно, окруженное светлыми и темными кольцами; в центре тени, образованной круглым экраном, видно светлое пятнышко, а сама тень окружена темными концентрическими кольцами.

Изменяя диаметр отверстия, можно в центре дифракционной картины получить и светлое пятно, окруженное темными и светлыми кольцами.

Любопытный случай произошел на заседании Французской академии наук в 1818 г. Один из ученых, присутствовавших на заседании, обратил внимание на то, что из теории Френеля вытекают факты, явно противоречащие здравому смыслу. Так, при определенных размерах отверстия и определенных расстояниях от отверстия до источника света и экрана в центре светлого пятна должно находиться темное пятнышко. А за маленьким непрозрачным диском, наоборот, должно находиться светлое пятно в центре тени. Каково же было удивление ученых, когда поставленные эксперименты доказали, что так и есть на самом деле!

Границы применимости геометрической оптики

Все физические теории отражают происходящие в природе процессы лишь приближенно. Для любой теории могут быть указаны определенные границы ее применимости. Можно ли применять в конкретном случае данную теорию или нет, зависит не только от той точности, которую обеспечивает эта теория, но и от того, какая точность требуется при решении той или иной практической задачи.Границы применимости теории можно установить лишь после того, как разработана более общая теория, охватывающая те же явления.

Все эти общие положения относятся и к геометрической оптике. Эта теория является приближенной. Она неспособна объяснить, например, явления интерференции и дифракции света. Более общей и более точной теорией является волновая оптика. Согласно ей, закон прямолинейного распространения света и другие законы геометрической оптики выполняются достаточно точно лишь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны. Но совершенно точно они не выполняются никогда.

Действие оптических приборов описывается законами геометрической оптики. Согласно этим законам можно различать с помощью микроскопа сколь угодно малые детали объекта; с помощью телескопа можно установить существование двух звезд при любых малых угловых расстояниях между ними. Однако в действительности это не так, и лишь волновая теория света позволяет разобраться в причинах предела разрешающей способности оптических приборов.

Разрешающая способность микроскопа и телескопа

Волновая природа света налагает предел на возможность различать детали предмета или очень мелкие предметы при их наблюдении с помощью микроскопа. Дифракция не позволяет получить отчетливые изображения мелких предметов, так как свет распространяется не строго прямолинейно, а огибает предметы. Из-за этого изображения получаются размытыми. Это происходит, когда линейные размеры предметов меньше длины световой волны.

Дифракция также налагает предел на разрешающую способность телескопа. Вследствие дифракции волн у края оправы объектива изображением звезды будет не точка, а система светлых и темных колец. Если две звезды находятся на малом угловом расстоянии друг от друга, то эти кольца налагаются друг на друга, и глаз не может различить, имеются ли две светящиеся точки или одна. Предельное угловое расстояние между светящимися точками, при котором их можно различать, определяется отношением длины волны к диаметру объектива.

Этот пример показывает, что с дифракцией приходится считаться всегда, при любых препятствиях. Ею при очень тщательных наблюдениях нельзя пренебрегать и в случае препятствий, размеры которых значительно больше, чем длина волны.

Дифракция света определяет границы применимости геометрической оптики. Огибание светом препятствий налагает предел на разрешающую способность важнейших оптических инструментов — телескопа и микроскопа.

Источник: «Физика - 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Световые волны. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

Оптика --- Скорость света --- Принцип Гюйгенса. Закон отражения света --- Закон преломления света --- Полное отражение --- Линза --- Построение изображения в линзе --- Формула тонкой линзы. Увеличение линзы --- Примеры решения задач. Геометрическая оптика --- Дисперсия света --- Интерференция механических волн --- Интерференция света --- Некоторые применения интерференции --- Дифракция механических волн --- Дифракция света --- Дифракционная решетка --- Поперечность световых волн. Поляризация света --- Поперечность световых волн и электромагнитная теория света --- Примеры решения задач. Волновая оптика --- Краткие итоги главы

Устали? - Отдыхаем!

Вверх

class-fizika.ru

Дифракция света. Волновая оптика ::Класс!ная физика

Дифракция

- это явление, присущее волновым процессам для любого рода волн.

- наблюдение дифракции волн на водной поверхности при прохождении волн через узкую щель (с краю видны закругления плоских волн).

Дифракция света– это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий.

Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами.

Для наблюдения дифракции можно:

- пропустить свет от источника через очень малое отверстие или расположить экран на большом расстоянии от отверстия. Тогда на экране наблюдается сложная картина из светлых и темных концентрических колец.- или направить свет на тонкую проволоку, тогда на экране будут наблюдаться светлые и темные полосы, а в случае белого света – радужная полоса.

- наблюдение дифракции света на малом отверстии.

Объяснение картины на экране:

Французский физик О. Френель объяснил наличие полос на экране тем, что световые волны, приходящие из разных точек в одну точку на экране, интерферируют между собой.

Принцип Гюйгенса – Френеля

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой.Амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Принцип Гюйгенса-Френеля дает объяснение явлению дифракции:

1. вторичные волны, исходя из точек одного и того же волнового фронта (волновой фронт – это множество точек, до которых дошло колебание в данный момент времени) , когерентны, т.к. все точки фронта колеблются с одной и той же частотой и в одной и той же фазе;2. вторичные волны, являясь когерентными, интерферируют.

Явление дифракции накладывает ограничения на применение законов геометрической оптики:

Закон прямолинейного распространения света, законы отражения и преломления света выполняются достаточно точно только , если размеры препятствий много больше длины световой волны.

Дифракция накладывает предел на разрешающую способность оптических приборов:

- в микроскопе при наблюдении очень мелких предметов изображение получается размытым- в телескопе при наблюдении звезд вместо изображения точки получаем систему светлых и темных полос.

 Класс!ная физика - YouTube Дифракционная решетка

- это оптический прибор для измерения длины световой волны.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

Если на решетку падает монохроматическая волна . то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.

Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладыается целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать друг друга. При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) имеют радужную окраску.

Итак, условие максимума:

где k – порядок (или номер) дифракционного спектра

Чем больше штрихов нанесено на решетке, тем дальше друг от друга находятся дифракционные спектры и тем меньше ширина каждой линии на экране, поэтому максимумы видны в виде раздельных линий, т.е. разрешающая сила решетки увеличивается.

Точность измерения длины волны тем больше, чем больше штрихов приходится на единицу длины решетки.

Дифракционная картина от тонкой проволоки

Дифракция в глазе

А ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Датский астроном Оле Рёмер знаменит тем, что впервые измерил скорость света, однако не только за это соотечественники говорят ему «спасибо». Именно благодаря Рёмеру в Копенгагене впервые в Европе появилось уличное освещение, ведь до этого горожанам приходилось носить с собой громоздкие фонари.___

Интересно, что алмаз является не только рекордсменом по твердости и отражению света, но он может еще и снизить скорость света почти на половину - до 124 000 км/c.

Другие страницы по теме "Волновая оптика":

Природа света. Измерение скорости светаОтражение светаПреломление светаПолное внутреннее отражениеДисперсия светаИнтерференция светаДифракция светаПоляризация света

class-fizika.narod.ru

что это такое и как избавиться

Здравствуйте, читатели моего блога! С вами на связи, Тимур Мустаев. Спешу вам сообщить, что наши фотокамеры неидеальны. Они видят мир иначе, нежели наши глаза. Но, как и в человеческом восприятии, так и в отображении картинки техникой, возникают различные ошибки.

Их называют оптическими “болезнями”. Распространены дисторсии, сферический аберрации, виньетирование и т.д. Чем дороже фотокамера и оптика, тем меньше подобных искажений может возникнуть. Сегодня мы поговорим об одной из частых болезней, которая называется дифракция в фотографии.

Специфика действия света

Любой фотограф, активно занимающийся своим делом, вскоре начнет замечать неприятные световые, цветовые и др. эффекты в кадре.

Дифракция проявляется в снижении детальности и четкости снимка, при этом независимо от его разрешения. Также говорят о дифракционных кольцах или полосах, появляющихся рядом с объектами. Что это в соответствии с физическими законами, как можно объяснить такое явление?

Понятие дифракции связано со светом. Это исключение из правил раздела геометрической оптики. Перевод с латинского означает “разломанный”, “огибание” – весьма близкое описание существующего процесса.

В действительности так и происходит: световой пучок, имеющий характер волны, идет прямолинейно. Но если он встречает некоторые препятствия в виде плотных, непрозрачных объектов, то “обходит” и частично проникает за них, в их теневые области. Здесь подстерегает нас главная “опасность” – в результате даже границы тени (и то, что в тени) смягчаются, становятся не совсем резкими.

дифракция световых волн

дифракция световых волн

Могу сказать вам более того, принцип огибания светом предметов применяется и к самой диафрагме фотоаппарата, ведь ее лепестки подходят под категорию “плотные препятствия”.Таким образом, мы имеем дело не с одной, а несколькими волнами света, которые взаимодействуют и накладываются друг на друга.

Трудно представить? А попробуйте на мгновение прищурить глаза, вот вам и получается все окружающее расплывчатым, будто за туманом или пеленой. Примерно также непросто приходится фотокамере.

Явление неприятное, создающее дополнительные сложности, но неизбежное. Как бы вам ни хотелось, не получится полностью избавиться от этого или другого рода искажений. Поэтому нужно помнить о них и стараться минимизировать имеющимися средствами.

дифракция на примере

дифракция на примере

Влияние на изображение

Я вам рассказал не просто занимательные факты из области теоретической физики. Это реальный недостаток, который может быть явно заметен на фотографии и снизить ее привлекательность для зрителя и самого автора.

Понять наглядно, что представляет собой дифракция, можно зайдя на различные форумы фотолюбителей или самостоятельно сделав серию тестов фотокамеры.

Установите фотокамеру на штатив, исключив этим вибрации, выберите ручной или режим диафрагмы и снимайте один предмет с отличными параметрами f.

Остальные переменные экспозиции не меняйте. Некоторые используют особую шкалу или лист бумаги с изображением мишени (в pdf формате). Снимки с разницей в диафрагме оцениваются по четкости/размытости всей мишени (цифр, букв, линий или определенного предмета) или ее краев.

В ниже приведенном примере, обратите внимание на ель. Начиная с f/14 она начинает размываться.

пример дифракции в фотографии

пример дифракции в фотографии

Дифракция – это такой недостаток работы оптики, с которым в фоторедакторах практически ничего нельзя сделать. Единственным выходом может быть минимизация ее влияния на этапе съемок.

Как избежать дифракцию в фотографии?

Дифракция серьезно сказывается на качестве изображения. Как избежать ее в фотографии?

  • Во-первых, нужно умело работать с диафрагмой, избегая как слишком малых значений, так и максимально больших, даже если ваш фотоаппарат позволяет их выставить. В первом случае дифракция может появиться из-за сглаживающего эффекта, то есть естественного боке вокруг основного объекта; во втором – потому что снижается общее количество света, идущего в объектив, отсюда падение детальности. Считается, что после f=11 вероятность дифракции высока, не говоря уже о предельных диафрагменных величинах 22 и далее.
  • Во-вторых, будет полезен поляризационный фильтр на объектив, он уберет необходимость в каких-то ситуациях (при ярком солнце, приоритета длинной выдержки для съемки воды и пр.) закрывать диафрагму.
  • В-третьих, что немаловажно, выбор хорошей фотоаппаратуры. Дорогая оптика сделана иначе: более качественные и верно подобранные линзы, высокая светосила, которая чувствительна к свету и лучше его воспринимает независимо от времени суток. Снимки на профессиональный фотоаппарат отличаются яркостью и резкостью.
  • В-четвертых, что я бы отметил, общая осведомленность фотографа. Конкретно я имею в виду знание пользователя о шкале ГРИП, также умение рассчитывать гиперфокальное расстояние, где не последнее место занимает фокусное расстояние объектива.

Как и всегда, не прощаюсь с вами надолго. Заходите на мой блог, подписывайтесь на интересные статьи. Было бы хорошо, если бы вы поделились статьей в социальных сетях.

Всех вам благ, Тимур Мустаев.

fotorika.ru

Волновая и геометрическая оптика. Дифракция

Волновая и геометрическая оптика. Дифракция

Конспект урока по физике

Раздел: «Волновая и геометрическая оптика»

Тема урока:

«Дифракция»

Цели:

- а) раскрыть суть понятия «Дифракция», обучить основным способам наблюдения дифракции, отразить положительные и отрицательные стороны дифракции для человека;

- б) развивать умение использовать полученные знания для их дальнейшего применения, умение логически мыслить, переносить умения и навыки на смежные области жизнедеятельности, базовую культуру, компетентностный подход в обучении

- в) воспитывать трудолюбие, интерес к изучаемому предмету, базовую культуру.

Тип урока: комбинированный

Группа №1, курс II, профессия «Монтажник РЭА и П»

Распределение урока во времени:

1. Организационный момент – 2 мин.

2. Актуализация ранее полученных знаний – 5 мин.

3. Получение новых знаний, умений и навыков – 25 мин.

4. Самостоятельная работа учащихся (по ходу этапа 3) – 5 мин.

5. Систематизация полученных знаний – 6 мин.

6. Подведение итогов урока – 2 мин.

Лабораторное оборудование: штативы, стеклянная призма, дифракционная решетка, линейка, транспортир, источник света, набор по дифракции света.

Приборы: дифракционные очки, микроскоп.

ТСО: ПК, мультимедиапроектор, CD «Физика 10-11 класс».

Ход урока

1. Вхожу в класс, приветствую учащихся, отмечаю отсутствующих.

2. Сегодняшний наш урок является логическим продолжением большого физического раздела «Оптика». На доске ни случайно не обозначена тема занятия, но она готова появиться сразу же после того, как вы вспомните основные понятия, с которыми мы работали на протяжении последних уроков.

Итак, сейчас на экране появится кроссворд, отгадав основные слова в котором, вы узнаете ключевое слово, а оно-то и будет совпадать с темой сегодняшнего урока.

Я читаю определения основных слов, а тот, кто из вас догадался, о чем идет речь, поднимает руку и произносит свою версию, а кроссворд скажет нам прав этот учащийся или нет.

Рис.1 Анимационный кроссворд

Слово 1: зависимость показателя преломления, а также скорости света от его частоты (длины волны) – ДИСПЕРСИЯ. (демонстрируется опыт)

Слово 2: какая характеристикасветовой волны помимо частоты определяет цвет – ВОЛНА.

Слово 3: сложение двух (или нескольких) световых волн, при котором в одних точках пространства происходит усиление интенсивности, в других – ослабление – ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ.

Слово 4: световой луч какого цветаменьше всего преломляется – КРАСНЫЙ.

Слово 5: и свет, и звук, и электромагнитная, и морская – ВОЛНА.

Слово 6: приспособление, которое использовал при создании первого радиоприемника А.Попов, содержащее внутри себя металлические опилки. Слово является однокоренным со словом, раскрывающим природу некоторых волн – КОГЕРЕР.

Рис.2 Разгаданный кроссворд

Слово 7: Спутник какой планеты исследовал в своих опытах по определению скорости света датский физик Рёмер – ЮПИТЕР.

Итак, кроссворд разгадан, ключевое слово найдено, оно-то и определяет тему нашего сегодняшнего занятия.

Запишем в тетрадях тему – «Дифракция».

Для начала определим новое для нас понятие:

дифракция – это явление огибания световыми волнами препятствий, размеры которых сравнимы с длиной световой волны.

Это определение может вызвать как минимум два вопроса:

1. Как же всё-таки распространяется свет: прямолинейно или всё же непрямолинейно? (тем более что на одном из прошедших занятий мы изучали закон прямолинейного распространения света)

2. Если свет всё же способен огибать препятствия, почему же мы не видим того, что происходит за этим препятствием?

Ответы на эти вопросы нам даст небольшой эксперимент.

Итак, соберем установку, состоящую из источника света (с узким пучком), штатива, с закрепленным на нем диске с малым отверстием, и листа белой бумаги. Расположим источник света и штатив на расстоянии 1,5 - 2 м друг от друга. При включении источника света и направлении луча строго перпендикулярно отверстию на листе бумаги можно видеть светлое пятно, внутри которого появляется пятно темное или совокупность интерференционных полос.

Подтверждает ли этот опыт явление дифракции?

Подтверждает!

Значит ли это, что он опровергает закон прямолинейного распространения света? Да или нет, и почему?

Нет! Так как диск можно убрать и на листе окажется лишь светлое пятно строго напротив источника .

Таким образом, свет распространяется прямолинейно до встречи на своем пути препятствия столь малого, что его размеры сравнимы с длиной световой волны. Не видим же мы того, что происходит за препятствием, так как чаще всего размеры препятствий слишком велики для дифракции.

Похожий опыт и стал основой для открытия нового явления. Его автором в 1665 г. Стал итальянский священник Ф.Гримальди. Однако глубоко раскрыть суть явления ему не удалось, зато в 1815 году французский физик Огюстен Френель (дорожный инженер по образованию) развил идею дифракции света и получил формулу – условие наблюдения дифракции:

l

,

где l – расстояние от препятствия до экрана (места наблюдения дифракции) , D – размер препятствия , l - длина волны.

Свои результаты Френель представляет на конкурс во Французскую академию наук, где его работу сначала не приняли в серьёз и даже высмеяли Комиссии академии: «Месье Френель, из Вашей теории должно следовать, что если перед световым лучом установить малое препятствие, то за ним будет не его тень, а наоборот светлое пятно».

Френель продемонстрировал комиссии свои опыты, и каково же было удивление всех присутствующих, когда за препятствием на самом деле оказалось светлое пятно.

Мы с Вами уже убедились в этом (вспомним только что проведенный эксперимент).

Со времени открытия дифракции и описания её основных положений прошло 342 и 192 года соответственно. Какое же значение это открытие имеет для физики в частности и для жизни человека в целом, ведь физика призвана служить человечеству верой и правдой.

Учащимся предлагается заполнить таблицу «Плюсы и минусы дифракции для человека».

Первое – дифракция позволило измерить длину световой волны, а это в свою очередь позволило существенно усовершенствовать оптические приборы.

О приборе, который основан на явлении дифракции расскажет

Сизенева Екатерина.

Сообщение о дифракционной решетке

Во время сообщения собирается установка по измерению длины световой волны, а после сообщения проводятся измерения и расчеты, которые учащиеся фиксируют в тетрадях.

dsinf=nl

Второе – дифракция помогает лучше видеть людям с ослабленным зрением, причем одно и то же устройство без видоизменений пригодно как для близоруких, так и для дальнозорких (демонстрируются дифракционные очки ). Демонстрируется презентация на м/мп.

Но дифракция может сыграть и негативную роль. Например, именно дифракция мешает нам увидеть в оптический микроскоп мельчайшие объекты, а именно то, из чего состоят все материальные объекты (какие?) – атомы, элементарные частицы.

Именно дифракция мешает нам четко видеть в оптический телескоп далекие планеты и звезды.

Именно дифракция не позволяет увидеть невооруженным глазом истинный цвет звезды, ведь на пути ее лучей встают мелкие препятствия – молекулы воздуха, которые непрерывно движутся.

Завершаем работу над таблицей.

4. Теперь – наши знания, умения и навыки не должны остаться на бумаге. Закрепим все то, над чем мы работали.

Два учащихся вызываются за ПК для работы над тестом

mirznanii.com


Смотрите также