Дифракционная решетка. Дифракционные спектры. Дисперсия и разрешающая способность решетки.

Дифракционная решетка и дифрак­ционные спектры. Дифракционной решеткой называется последовательность из большого числа N одинаковых параллельных щелей. Ши­рина каждой щели равна b, расстояние между соседними щелями, которое называется периодом решетки, равно d. Расположим параллельно ре­шетке собирательную линзу, в фокальной пл-ти которой поставим экран. Выясним характер диф. картины, получающейся на экране при падении на решетку световой волны (для простоты будем считать, что волна падает на решетку нормально). Каждая из щелей даст на экране картину, описы­ваемую кривой. Картины от всех щелей придутся на одно и то же место экрана (независимо от положения щели, центральный максимум лежит против центра линзы). Если бы колебания, приходящие в точку Р от различных щелей, были некогерентными, результирующая картина от N щелей отличалась бы от картины, создаваемой одной щелью лишь тем, что все интенсивности выросли бы в N раз. Однако, колебания от различных щелей являются в большей или меньшей степени когерентными; поэтому результирующая интенсивность будет отлична от

интенсивность, создаваемая одной щелью). Предполагая, что радиус когерентности (максимальное поперечное направлению распространению волны расст., на котором возможно проявление интерференции) падающей волны намного превышает длину решетки. Так что колебания от всех щелей можно считать когерентными друг относительно друга. В этом случае результир. колеб в точке Р пред ставл. собой сумму N колебаний с одинаковыми ампл. Aϕ, сдвинутых друг относительно друга по фазе на одну и ту же величину 5. Интенсивность при этих условиях равна:

где - интенсивность, создаваемая

каждым из лучей в отдельности. Из верхнего рисунка видно, что разность хода от соседн щелей равна А = d sin q> Следов, разность фаз

Дифракционный спектр Распределение ин­тенсивности на экране, получаемое вследствие дифракции (это явление приведено на нижнем рис.). Основная часть световой энергии сосредо­точена в центральном максимуме. Сужение щели приводит к тому, что центральный максимум расплывается, а его яркость уменьшается (это, естественно, относится и к другим максимумам). Наоборот, чем щель шире (b > X ), тем картина ярче, но дифракционные полосы уже, а число самих полос больше. При b » X в центре получается резкое изображение источника света, т.е. имеет мет прямолинейное распространение света. Эта картина будет иметь место только для монохроматического света. При освещении щели белым светом, центральный максимум будет иметь место белой полоски, он общий для всех длин волн (при (р = О разность хода равна нулю для всех длин волн)

Разрешающей способностью спектрального при­бора назовем безразмерную величину

-- абсолютное значение минимальной разности длин волн двух соседних спектральных линий, при которой эти линии регистрируются раздельно. Пусть максимум m-го порядка для длины волны λ 2 наблюдается под

углом ϕ, т.е. . При переходе от максимума к соседнему минимуму, разность хода меняется на , где N – число щелей решетки.

Следовательно минимум λ 1, наблюдаемый под углом ϕ min, удовлетворяет условию

. По критерию Релея

(Изображения двух близлежащих одинаковых точечных источников или двух близлежащих спектральных линий с равными интенсивностями и одинаковыми симметричными контурами раз­решимы (разделены для восприятия), если цен­тральный максимум дифракционной картины от одного источника (линии) совпадает с первым минимумом дифр. картины от другого), , т.е., или

близки ме­жду собой, т.е. , то согласно

: . Таким образом

разр. способность дифр решетки пропорцио­нальна порядку m спектров и числу Nщелей, т.е. при заданном N увеличивается при переходе к спектрам высших порядков. Современные ре­шетки обладают разр способностью до 2*105.

 

Дифракция решетки. Дифракционная картина на решетке определяется как р-тат вза­имной интерференции волн, идущих от всех щелей. Т.е. в диф. решетке осуществляется мно­голучевая интерференция когерентных дифраги­рованных пучков света, идущих от всех щелей. Пусть плоская монохроматическая волна падает нормально к пл-ти решетки Так как щели нх-ся на одинак. друг от друга расст., то разность хода лучей, идущих от двух соседних щелей, будут для данного направления ϕ одинаковы в пределах всей дифракционной

решетки: .

Очевидно что в тех направлениях, в которых ни одна из щелей не распространяет свет, он не будет распространяться и при двух щелях, т.е. прежние минимумы интенсивности будут наблюдаться в направл, опред-мых усл-ием

Кроме того, вследствие взаимной интерференции световых лучей, посылаемых двумя щелями, в некоторых направлениях они будут гасить друг друга, т.е. возникнут дополнительные минимумы. Очевидно, что эти дополнительные минимумы будут наблюдаться в тех направлениях, которым соответствует разность хода лучей λ / 2, 3λ / 2,..., посылаемых, например, от крайних левых точек М и С обеих щелей. Условие дополнительных минимумов:

. Наоборот, действие одной щели будет усиливать дейст­вие другой, если т.е. условие максимумов. При двух щелях между двумя главными максимумами располагается один дополнительный минимум, а между каж­дыми главными максимумами при трех щелях располагается два дополнительных минимума, при четырех – три. Если диф. реш. состоит из N щелей, то условием главных минимумов является условие а усл. глав-

ных максимумов -- а

условием дополнительных минимумов

, где m' может принимать все целочисленные значения, кроме т.е.

тех, при которых переходит в

. Следовательно, в случае N щелей между двумя главными максимумами располагается N-1дополнительных минимумов, разделенных вторичными максимумами. Чем больше щелей N, тем большее количество световой энергии пройдет через решетку, тем больше минимумов образуется между соседними главными мак­симумами, тем, след, более интенсивными и более острыми будут максимумы. На след ри­сунке представлена картина от восьми щелей. Так как не может быть больше 1, то

, т.е. число главных максимумов определяется отношением периода решетки к длине волны.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: