Дифракция Фраунгофера. Спектральный анализ электромагнитной волны света

Дифракция – это определенная совокупность явлений, которые наблюдаются при движении световых волн сквозь среду с резко выраженными неоднородностями (малые отверстия, непрозрачные экраны и т.д.). Они связаны с отклонением от принципов геометрической оптики. Суть данного понятия заключается в способности электромагнитного излучения огибать любые препятствия. Дифракция Фраунгофера имеет в оптике значительно большее прикладное значение, чем дифракционные явления Френкеля.

Благодаря этому свойству, электромагнитные волны света, огибая препятствия, попадают в область так называемой геометрической тени и проникают в отверстия небольшого диаметра. Проходя через них, волны распадаются на составляющие, что открывает широкие возможности для изучения и спектрального анализа природы световых изучений. При этом дифракция Фраунгофера предполагает соответствие размеров отверстий длине волны.

Данное явление также объясняется при помощи принципа Гюйгенса – Френкеля. Он применяется для решения некоторых задач, связанных с изысканиями в области распределения интенсивности световых излучений и их распространения в различных средах с препятствиями. Открытие явления дифракции в свое время послужило ключевым доказательством волновой природы света. Первая количественная теория данного явления принадлежит французскому физику Френкелю. Впрочем, его постулаты до сих пор имеют главным образом теоретическое значение.

А дифракция Фраунгофера имеет и практическое осуществление, при котором источник световых излучений помещается в фокус линзы. Она не требуется, если источником является лазер, поскольку он испускает параллельный пучок излучения. Дифракция Фраунгофера возникает на каком-либо препятствии, установленном на пути световых лучей, проходящих сквозь линзу. Картина данного оптического явления наблюдается в фокальной плоскости другой линзы, размещенной за препятствием.

Но простейшим для расчетов и чрезвычайно важным для практической оптики случаем является дифракция Фраунгофера на одной щели большой длины прямоугольного сечения. В этом случае на отверстие падает монохроматическая плоская волна. Световое поле за щелью строится согласно принципу Гюйгенса как результат интерференции когерентной вторичной волны. Все волны такого типа исходят из разных участков волнового фронта. Основной особенностью дифракционной картины является то, что вторичные волны, излучаемые полосой волнового фронта, складываясь после прохождения препятствия, образовывают одну цилиндрическую волну, осью которой служит эта полоса.

Дифракционная картина в этом случае представляет собой чередование светлых участков с темными и характеризуется наличием яркого пятна в центре, где расположена зона геометрической тени. Характерно то, что для белого света картина будет окрашенной. Центральная полоса при этом будет светлой, а остальные будут чередоваться по цвету от фиолетового к красному. Дифракция Фраунгофера на щели создает размытое изображение источника света, которое разделено темными полосами. Дифракционная картина на малых отверстиях дает систему концентрических окружностей с темным пятном Пуассона в центре. Светлые полосы, возникающие на экране, называются дифракционными максимумами, а темные – минимумами.

Явление дифракции применяется для точного измерения длины световых волн. Также оно учитывается при конструировании различных оптических приборов, поскольку данное явление накладывает некоторые ограничения и на их разрешающую способность.