Difrakciona rešetka

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Vrlo velika reflektirajuća difrakciona rešetka.

Difrakciona rešetka je optički uređaj čiji se rad temelji na korištenju fenomena difrakcije svjetlosti. To je skup velikog broja pravilno raspoređenih poteza (ureza, izbočina) nanesenih na određenu površinu.

Priča

Prvi opis ovog fenomena dao je 1673. godine James Gregory , koji je uočio difrakciju na ptičjem perju:

Ako smatrate da je potrebno, možete gospodinu Newtonu pokazati mali eksperiment, koji će (ako već ne zna za njega) biti vrijedan njegove pažnje. Pustite sunčevu svjetlost kroz malu rupu u zamračenu kuću i stavite pero u rupu (što je tanje i bjelje, to je bolje za ovu svrhu) i ono će poslati niz malih krugova i ovala na bijeli zid ili papir nasuprot njemu. (ako se ne varam) , od kojih je jedna bijela (naime sredina koja je suprotna Suncu), a sve ostale su drugačije obojene. Voleo bih da čujem njegovo mišljenje o ovome. [jedan]

David Rittenhouse je 1786. godine po prvi put napravio difrakcionu rešetku i izmjerio uglove otklona za različite boje [2] .

1801. Thomas Jung je otkrio i objasnio interferenciju svjetlosti. Godine 1818. Augustin Jean Fresnel razvio je teoriju difrakcije svjetlosti.

Oslanjajući se na ideje Junga i Fresnela o svjetlosnim valovima, Joseph Fraunhofer je 1821. prvi put koristio difrakcijsku rešetku (koju je napravio) za dobijanje spektra i izračunavanje talasnih dužina.

Vrste rešetki

  • Reflektivni : potezi se nanose na zrcalnu (metalnu) površinu i gledaju u reflektiranom svjetlu
  • Transparentni : potezi se crtaju na prozirnoj površini (ili se izrezuju kao prorezi na neprozirnom ekranu) i posmatraju u propuštenoj svjetlosti.

Opis fenomena

Ovako izgleda svjetlost svjetiljke sa žarnom niti , propuštena kroz prozirnu difrakcijsku rešetku. Nulti maksimum ( m = 0) odgovara svjetlosti koja prolazi kroz rešetku bez skretanja. Zbog disperzije rešetke na prvom ( m = ± 1) maksimumu može se uočiti dekompozicija svjetlosti u spektar . Ugao otklona raste sa povećanjem talasne dužine (od ljubičaste do crvene)

Idealizirana rešetka se sastoji od skupa proreza s periodom d koji mora biti veći od valne dužine koja nas zanima da bi izazvala difrakciju. Neka ravan val monokromatske svjetlosti s talasnom dužinom upada na rešetku normalno (upravno na rešetku) , tada svaki prorez u rešetki djeluje kao izvor kvazi tačaka iz kojeg se svjetlost širi u svim smjerovima prema Huygens-Fresnelovom principu . Dolazi do interferencije svjetlosti koju emituju svi prorezi, a ako je u nekom smjeru svjetlost iz dva susjedna proreza u istoj fazi, dolazi do konstruktivne interferencije i u tom smjeru se pojavljuje maksimum. Budući da se za različite talasne dužine maksimumi interferencije nalaze pod različitim uglovima (određeni razlikom u putanji interferirajućih zraka), bijela svjetlost se razlaže u spektar.

Formule

Ilustracija za pronalaženje maksimalnog uslova za refleksiju od difrakcione rešetke pri kosom upadu.
Ilustracija za pronalaženje reda difrakcije.

Udaljenost kroz koju se linije ponavljaju na rešetki naziva se periodom difrakcijske rešetke. Označeno slovom d .

Ako je poznat broj udaraca ( ) po 1 mm rešetke, tada se period rešetke nalazi po formuli: mm.

Pri normalnom upadanju ravnog talasa, uslovi za maksimume interferencije difrakcione rešetke, posmatrani pod određenim uglovima, imaju oblik:

gdje

- rešetkasti period,
- ugao maksimuma date boje,
- red maksimuma, odnosno redni broj maksimuma, računajući od centra slike,
Je talasna dužina.

Ovaj uslov se može izvesti iz činjenice da fazna razlika između snopa reflektiranih od površina na udaljenosti jednakoj periodu rešetke mora biti višestruka od , ili, drugim riječima, razlika u optičkim putanjama je višestruka valne dužine. U ovom slučaju, položaj maksimuma ovisi samo o periodu rešetke, a širina proreza ili oblik žljebova utječe na glatki omotač funkcije maksimuma.

Ako svjetlost padne na rešetku pod uglom , zatim:

Ova formula se može grafički ilustrirati, da bi se pronašao pravac nekog reda difrakcije, potrebno je nacrtati krug poluprečnika jednakim periodu rešetke pomnoženom indeksom prelamanja supstance u kojoj se posmatraju redovi. Zatim, kroz kraj propuštenog ili reflektovanog snopa, potrebno je povući okomitu liniju. Nakon toga, potrebno je nacrtati još nekoliko okomitih linija na udaljenosti jedna od druge jednakoj valnoj dužini. Smjerovi u redoslijedu difrakcije bit će od centra kruga do tačaka u kojima se on siječe sa vertikalnim linijama. Zapravo, takva ilustracija je analogna Ewaldovoj konstrukciji u jednodimenzionalnom slučaju.

Specifikacije

Jedna od karakteristika difrakcione rešetke je ugaona disperzija . Pretpostavimo da je maksimum nekog reda uočen pod uglom φ za talasnu dužinu λ i pod uglom φ + Δφ - za talasnu dužinu λ + Δλ. Ugaona disperzija rešetke je omjer D = Δφ / Δλ. Izraz za D se može dobiti razlikovanjem formule difrakcijske rešetke

Dakle, ugaona disperzija raste sa smanjenjem perioda rešetke d i povećanjem reda spektra k .

Druga karakteristika difrakcione rešetke je njena rezolucija . To je zbog ugaone širine glavnog maksimuma i određuje mogućnost odvojenog posmatranja 2 bliske spektralne linije. Kako se red spektra m povećava,

Postoji i još jedna karakteristika difrakcione rešetke - područje disperzije. Definira, za svaki red, spektar spektra od preklapajućih spektra. Ovaj parametar je obrnuto proporcionalan redu spektra m

Manufacturing

Dobre mreže zahtijevaju vrlo visoku preciznost. Ako se barem jedan od mnogih proreza nanese s greškom, tada će rešetka biti neispravna. Mašina za ribanje je čvrsto i duboko ugrađena u poseban temelj. Prije početka direktne proizvodnje rešetki, mašina radi u praznom hodu 5-20 sati kako bi stabilizirala sve svoje komponente. Rešetkanje traje do 7 dana, iako je vrijeme hoda 2-3 sekunde.

Aplikacija

Difrakciona rešetka se koristi u spektralnim instrumentima, kao i optičkim senzorima za linearne i ugaone pomake (mjerne difrakcijske rešetke).

Difrakcija na primjeru jednog proreza

Primjeri

CD difrakcija

Jedan od najjednostavnijih i najčešćih primjera reflektivnih difrakcijskih rešetki u svakodnevnom životu je kompakt disk . Na površini CD-a nalazi se spiralna staza sa razmakom od 1,6 μm između zavoja. Otprilike trećinu širine (0,5 mikrona) ove staze zauzima udubljenje (ovo su snimljeni podaci), koje raspršuje upadnu svetlost, oko dve trećine (1,1 mikrona) je netaknuta podloga koja reflektuje svetlost. Dakle, kompakt disk je reflektirajuća difrakciona rešetka s periodom od 1,6 μm. Osim toga, prazni CD-R diskovi i prazni DVD diskovi su ista reflektirajuća difrakciona rešetka, budući da imaju spiralni put za usmjeravanje laserskog snopa prilikom snimanja informacija. Štaviše, period rešetke za DVD je 0,74 mikrona.

vidi takođe

Video tutorial: Difrakciona rešetka

Bilješke (uredi)

  1. Pismo Džejmsa Gregorija Džonu Kolinsu, od 13. maja 1673. Preštampano u: Prepiska naučnika sedamnaestog veka…. , ed. Stephen Jordan Rigaud (Oxford, Engleska: Oxford University Press , 1841), vol. 2, stranica 254. Books.Google.com .
  2. I. D. Bagbai. O istoriji difrakcione rešetke. . Napredak u fizičkim naukama, v. 108, br. 2, oktobar 1972. str. 335-337.

Književnost

  • Echelettes // Eloquent - Yaya. - M .: Sovjetska enciklopedija, 1957. - P. 293. - ( Velika sovjetska enciklopedija : [u 51 svesku] / glavni ur. B. A. Vvedensky ; 1949-1958, vol. 49).
  • Landsberg G.S. Optika, 1976
  • Sivukhin D.V. Opći kurs fizike. - M. - T. IV. Optika.
  • Tarasov K.I. Spektralni uređaji, 1968

Linkovi