Вопрос 2. Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля.


Проникновение световых волн в область геометрической тени можно объяснить с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени. Однако этот принцип не позволяет вычислить амплитуду (интенсивность) волн, распространяющихся в различных направлениях. Френель дополнил принцип Гюйгенса представлением об интерференциивторичных волн. Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет найти амплитуду результирующей волны в любой точке пространства. Развитый таким образом принцип Гюйгенса получил название принципа Гюйгенса - Френеля:все источники вторичных волн,расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой; световая волна в любой точке пространства является результатом интерференции волн, излучаемых вторичными источниками и достигших этой точки. При этом предполагается, что вторичные волны излучаются только вперед, а возможность возникновения обратных вторичных волн исключается. Поскольку точек фронта, являющихся когерентными источниками новых волн,бесчисленное множество, то расчет интерференции сводится к довольно громоздкому интегрированию. Для упрощения решения этого вопроса Френелем был предложен метод разделения фронта волны на зоны таким образом, что волны от соседних зон приходят в точку наблюдения в противоположной фазе и ослабляют друг друга. С методом зон Френеляознакомимся на примере дифракции сферической световой волны на непрозрачной преграде.

Пусть S - точечный источник монохроматического света, распространяющегося в однородной среде. По принципу Гюйгенса от него распространяется во все стороны сферическая волна. В некоторый момент времени фронт этой волны занимает положение Ф, рис.9.2. Рассмотрим произвольную точку Р перед фронтом волны и соединим её прямой линией с источником света S . Волновые поверхности будут симметричны относительно прямой .

 


Рис.9. 2.

 

Если бы свет распространялся прямолинейно вдоль луча SОР, то достаточно было бы поставить на его пути сколь угодно малый экран 1, чтобы в точке наблюдения Р была полная темнота. Благодаря волновой природе света в точку Р приходят волны не только от точки О, но и от всех остальных точек фронта Ф, правда, в различных фазах.

Для расчета результатов интерференции Френель предложил провести ряд сфер с центрами в точке Р и радиусами, соответственно равными

b +l/2,

b + 2l/2,

b + 3l/2, и т.д.

Тем самым фронт волны Ф разобьется на ряд кольцевых зон, рис.9.2. Здесь зоны Френеля являются иточниками вторичных волн и в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля излучают свет в основном в направлении внешней нормали. Волны, приходящие в точку P от точек каждой последующей зоны, сдвинуты по отношению к волнам, приходящим от соответствующих точек предыдущей зоны, на λ/2, т.е. находятся в противоположных фазах, и их амплитуды при интерференции вычитаются. Из геометрического рассмотрения можно получить выражение для радиуса внешней границы m - ой зоны:

 

, (m = 1, 2, 3, …). (9.1)

 

Если, например, а = b = 1 м и λ = 0,5 мкм, то радиус первой зоны

r1 = 0,5 мм.

Занумеруем величины суммарных амплитуд волн, приходящих в точку Р от каждой последующей зоны: А1, А2, а3, А4, А5, А6, ....

Благодаря различию в расстояниях зон до точки наблюдения и в углах, под которыми видны эти площадки из точки Р, величины этих амплитуд монотонно убывают:

А1> А2> а3> А4> А5> А6, ....

т.е. в соответствии с принципом Гюйгенса- Френеля вторичные источники (зоны Френеля) излучают свет в основном направлении внешней номали и формула (9.2) есть следствие того, что амплитуда Аi − монотонно убывающая функция.

В качестве допустимого приближения можно принять, что амплитуда колебания от некоторой k-той зоны Френеля Аk равна среднему арифметическому от амплитуд примыкающих к ней зон:

 

Аk = (Аk+1 + Аk-1)/2. (9.2)

 

В соответствии с принципом Гюйгенса- Френеля вторичные источники (зоны Френеля) излучают свет в основном направлении внешней номали и формула (9.2) есть следствие того, что амплитуда Аi − монотонно убывающая функция.

Амплитуда результирующего светового колебания в точке Р, равна сумме амплитуд, создаваемых каждой отдельной зоной. При этом амплитуды от всех четных зон надо складывать с одинаковым знаком (например, положительным), а амплитуда волн от всех нечетных зон – с обратным знаком:

А = А1 - А2 +А3 - А4 + А5 -.... (9.3)

 

Используя (10.2), можно это выражение представить в виде

 

А = А1/2 + (А1/2 – А2 +А3/2) + (А3/2 –А4 + А5 /2) + ... » А1/2, (9.4)

 

так как оставшаяся часть от амплитуды последней зоны ± Аk/2мала.

Таким образом при большом числе открытых зон Френеля амплитуда от воздействия всего фронта Ф в точке наблюдения Р, равная А = А1/2,эквивалентна половине воздействия центральной зоны Френеля, т.е. распространение света от источника S в точку наблюдения Р происходит так, будто свет распространяется прямолинейно вдоль направления . Значит, волновое описание процесса распространения света не противоречит закону прямолинейного распространения света в однородной среде, используемого в геометрической оптике.

 



Дата добавления: 2017-10-04; просмотров: 1344;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.01 сек.