Loading...
 

Interferencja fal z wielu źródeł

Interferencja i doświadczenie Younga-( 2 ) opisujące położenie kątowe maksimów interferencyjnych w doświadczeniu Younga z dwoma punktowymi szczelinami może posłużyć do wyznaczenia długości fali światła monochromatycznego. W praktyce jest to jednak trudne, bo ze względu na małe natężenia światła nie można w sposób dokładny wyznaczyć położenia maksimów interferencyjnych. Dlatego do wyznaczenia długości fali świetlnej stosuje się układ wielu równoległych do siebie szczelin czyli siatkę dyfrakcyjną.

Na Rys. 1 pokazany jest układ \( N \) szczelin odległych od siebie o \( d \). Odległość d nazywamy stałą siatki dyfrakcyjnej.

: Siatka dyfrakcyjna
Rysunek 1: Siatka dyfrakcyjna


Obraz powstały przy oświetleniu siatki dyfrakcyjnej składa się z serii prążków interferencyjnych podobnie jak dla dwóch szczelin. Na Rys. 2 rozkład natężeń dla \( N \) = 5 szczelin jest porównany z wynikiem uzyskanym w doświadczeniu Younga dla dwóch szczelin.

Z tego porównania wynika, że nie zmienia się odległości pomiędzy głównymi maksimami (przy zachowaniu odległości między szczelinami \( d \) i długości fali \( \lambda \)). Położenia maksimów głównych nie zależą więc od \( N \). Nastąpił natomiast bardzo wyraźny wzrost natężenia maksimów głównych, ich zwężenie oraz pojawiły się wtórne maksima pomiędzy nimi.

: Rozkład natężenia światła uzyskany dla siatki dyfrakcyjnej o N = 5 szczelinach
Rysunek 2: Rozkład natężenia światła uzyskany dla siatki dyfrakcyjnej o N = 5 szczelinach


Maksima główne występują, gdy różnica dróg optycznych promieni wychodzących z sąsiednich szczelin (zob. Rys. 1 ) zawiera całkowitą liczbę długości fal \( \lambda \) czyli gdy spełniony jest warunek

\( d\text{sin}\theta =\mathit{m\lambda},m=1,\;2,\;\text{.....}\;(\text{maksima}\text{ }\text{główne}) \)


Wzór ten jest identyczny jak Interferencja i doświadczenie Younga-( 2 ) opisujące położenie kątowe maksimów interferencyjnych dla dwóch szczelin. Tym razem jednak ścisłe określenie położenia maksimów interferencyjnych jest łatwiejsze ze względu na ich większe natężenie i mniejszą szerokość.

W miarę wzrostu liczby szczelin siatki maksima główne stają się coraz węższe, a maksima wtórne zanikają i dlatego w praktyce stosuje się siatki dyfrakcyjne zawierające nawet kilka tysięcy szczelin, w których odległość między szczelinami jest rzędy tysięcznych części milimetra. Natężenie maksimów głównych ma wartość \( {I=I_{{0}}N^{{2}}} \) czyli \( N^{ 2} \) razy większe niż dla pojedynczego źródła.


Jako przykład rozpatrzmy siatkę dyfrakcyjną, która ma 4000 nacięć na 1 cm. Pada na nią prostopadle światło żółte z lampy sodowej (stosowanej w oświetleniu ulic). W świetle tym występują dwie fale o długościach 589.00 i 589.59 nm. Obliczmy odległość kątową pomiędzy maksimami pierwszego rzędu dla tych linii.


Położenie kątowe maksimum pierwszego rzędu otrzymujemy z warunku ( 1 ) dla \( m \) = 1

\( {\text{sin}\theta =\frac{\lambda }{d}} \)


gdzie stała siatki dyfrakcyjnej \( d \) = 1cm/4000 = 2.5 \( \mu \)m.

Wykonujemy teraz obliczenia kąta \( \theta \) kolejno dla obu długości fal, a następnie obliczamy ich różnicę. Otrzymujemy kolejno \( \theta \) = 13.6270° (dla \( \lambda \) = 589.00 nm) i , \( \theta \) = 13.6409° (dla \( \lambda \) = 589.59 nm).

Stąd \( \Delta \theta \) = 0.0139°.


Treść zadania:
Oceń czy ta odległość kątowa jest wystarczająca, żeby rozróżnić te dwie linie na ekranie odległym o \( D \) = 1 m od siatki? W jakiej odległości \( D \) trzeba ustawić ekran, żeby odległość między tymi prążkami wyniosła \( \Delta y \) = 1mm?

Wskazówka: Położenie \( y \) linii na ekranie możemy obliczyć ze związku \( \text{tg} \theta = y/D \).
\( {\Delta y} \) =

\( D \) =


Możliwość rozróżnienia maksimów obrazów dyfrakcyjnych dla dwóch fal o niewiele różniących się długościach decyduje o jakości siatki dyfrakcyjnej. Mówimy, że siatka powinna mieć dużą zdolność rozdzielczą, którą definiujemy jako


\( {R=\frac{\lambda }{\mathit{\Delta \lambda }}} \)

gdzie \( \lambda \) jest średnią długością fali dwóch linii ledwie rozróżnialnych, a \( \Delta \lambda \) różnicą długości fal miedzy nimi. Widać, że im mniejsza \( \Delta \lambda \) tym lepsza zdolność rozdzielcza.


Praktyczne działanie jednowymiarowej siatki dyfrakcyjnej na promień lasera przedstawia film:


Ostatnio zmieniona Czwartek 30 z Październik, 2014 14:09:35 UTC Autor: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.