Вълнови ефекти: дифракция на светлината

Дифракция на светлината - ефектът, който възниква при разпространение на вълните. Тя се проявява в отклонение от законите на геометричната оптика. При различни вълнови феномени е възможно да се проследи същата природа на принципите, според които те текат.

Интерференция и дифракция на светлината

Трябва да се отбележи, че тези две понятия се считат за неделими. Като правило дифракцията се разглежда като специален случай. Вълните са ограничени в пространството. Светлинни смущения - феноменът на добавяне на вибрации. В определени точки в пространството амплитудата се увеличава поради суперпозицията на вълните. В същото време в други точки амплитудата намалява. Високите и ниските се редуват, образувайки интерференчна картина. Константността се наблюдава само в случай на кохерентност на добавените колебания, т.е. когато тяхната разлика е постоянна. Кохерентни трептения - вълни с еднаква честота. Ето защо на практика по-често се изучава интерференцията на монохроматичните вибрации. Трябва да се отбележи, че общото свойство на всички дифракционни ефекти е ясна зависимост от съотношението на амплитудата на λ до d, където λ е дължината на вълната и d е размерът на ширината на вълновия фронт.

Значение на явлението

В повечето практически случаи ширината на вълновата линия е ограничена. Това означава, че явлението отклонение от оптичните закони съпровожда почти всеки вълнов процес. Дифракцията на светлината задава разделителната способност на всяко, дори най-простото оптично устройство. При проектирането на по-сложни системи, тази характеристика е по-често ограничена от аберации. Те се увеличават с увеличаване на диаметъра на обектива на камерата. Фотографите знаят явлението за подобряване качеството на изображението, когато обективът е диафрагмен.

Случаи на пренебрегване

Явлението дифракция на светлината може да повлияе на хода на изчисленията в процеса на изучаване, само ако нееднородностите на оптичната среда са сравними по размер с дължина на вълната. Тогава ефектът от разсейващи вълни. Но щом нееднородностите станат с 3-4 реда по-дълги от дължината на вълната, дифракцията често се пренебрегва. В този случай разпространението на вълната е много точно описано от системата от закони на геометричната оптика.

Различни интерпретации на ефекта

В различно време дифракцията на светлината се разбира и обяснява по различни начини. Едно от първите интерпретации предполага, че вълната се огъва около препятствие. С други думи, тя прониква в областта на геометричната сянка. Но според съвременните стандарти това тълкуване е твърде тясно. Според изследователите, тя не описва адекватно ефектите, които възникват. В съвременната наука широк спектър от явления е свързан с дифракция. Те възникват, когато вълните се разпространяват в нехомогенни оптични среди.

Как е ефекта?

Дифракцията на светлината може да бъде открита в пространствената трансформация на вълновите структури. Това може да се счита по някакъв начин "закръгляване" на вълната на съществуващото за възникналата пречка. В други ситуации причината може да бъде разширяването на сектора на разпространение на лъча или тяхното отклонение до определена страна. Също така, дифракцията на светлината може да се прояви в спектралното разлагане на вълните в честота. В допълнение, въпросният ефект може да бъде открит в трансформацията на поляризация на вълната или в промяна във фазовата структура. Към днешна дата най-изучени са ефектите на акустичните и електромагнитни вълни (по-специално оптично). Гравитационно-капилярните вълни на повърхността на течност са претърпели изследвания и са достатъчно обяснени.

Някои функции

Характеристиките на вълновото поле, като първоначалния им размер и структура, играят важна роля в дифракционното явление. В случая, когато нееднородността на оптичната система е сравнима с или по-малка от дължината на вълната, се отбелязват значителни промени в параметрите. За по-добро разбиране можете да помислите за прост пример. Имаме пространствено ограничени вълнови лъчи. Дори ако оптичната среда е хомогенна, тя ще има свойството на "замъгляване". Такъв ефект не може да бъде описан с помощта на апарата на геометричната оптика. Но съвременната наука вече е богата на такава концепция като дифракционната дивергенция. Благодарение на него е възможно да се опише проявлението на този ефект в най-пълна степен. Забележете, че първоначалното ограничение и структурата на вълновото поле в пространството често възникват не само поради наличието на абсорбиращи или отразяващи елементи. Често те се появяват още при първоначалното генериране на разглежданата среда.

Специални случаи

Да предположим, че имаме оптична среда, в която се наблюдава плавна промяна в скоростта на вълната от точка до точка. Гладкостта ще "изчисли" по отношение на промените в дължината на обекта. В такава среда разпространението на лъча ще бъде криволинейно. Този факт е свързан с феномена на мираж (между другото той се изучава в градиентна оптика). В този случай препятствието може да се огъне около вълната. Забележително е, че този ефект може да бъде описан чрез уравненията на апарата на геометричната оптика. Това явление на разпространение на криволинейни вълни не може да се дължи на дифракция. Забележете, че често ефектът на отклонение може изобщо да не бъде свързан с така нареченото "закръгляване" на съществуващо или съществуващо препятствие. В същото време, наличието на обект "по пътя" причинява дифракция. Като пример, ефектът на отклонение върху фазовите структури, т.е. неабсорбиращ или прозрачен тип.

Окончателни несъответствия с геометрична оптика

Както установихме, дифракцията не може да бъде обяснена с помощта на лъчевия модел, т.е. в рамките на определенията на геометричната оптика. От друга страна, лечението е изчерпателно от гледна точка на теорията на вълновите процеси. Някои явления обаче не могат да бъдат обяснени с помощта на геометрична оптика, но в същото време не се отнасят за дифракция. Например, феноменът на въртене на равнината на поляризация в оптично активна среда не се счита за отклоняващ ефект. В същото време въртенето на равнината на поляризация е резултат от така наречената колинеарна дифракция. Отклоненият лъч на вълните не променя посоката. Този вид ефект се реализира, например, като ултразвукова дифракция в двойнопречувствителни кристали. В този случай векторите на акустичните и оптичните вълни ще бъдат успоредни. Трябва да се отбележи, че явленията на свързаните вълноводи не могат да се интерпретират от гледна точка на лъчевия модел, въпреки че те също не се наричат ​​дифракции. Друг пример за такива несъответствия е секцията "Кристална оптика". Той разглежда анизотропията на средата. Този раздел има малко общо с дифракционния проблем. Въпреки това, корекциите на представянията на използвания в него лъчев модел биха били подходящи. В крайна сметка има очевидни различия в понятието за лъч като посока на разпространение на светлината и концепцията за фронт на вълната като нормална спрямо лъча. В силни полета може да се наблюдава и криволинейно разпространение на лъчи. Учените са доказали, че светлината, преминаваща в близост до масивен обект, като например звезда, променя посоката в посоката на полето на обекта. И тук накрая виждаме "закръгляване" на препятствията. Въпреки че това явление не се отнася за дифракция.