Kvant. Дифракция в лазерном свете

Паненко Д. Дифракция в лазерном свете //Квант. — 1990. — № 12. — С. 36-39.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Лазеры представляют собой источники света, замечательные прежде всего своей высокой когерентностью. Поэтому, например, с их помощью можно получать устойчивые интерференционные картины или наблюдать тонкие дифракционные эффекты, не проявляющиеся в опытах с нелазерными источниками.

В этой статье будет рассказано о том, как провести наблюдения дифракции на цилиндре, шаре или других телах в лазерном свете. Но сначала — немного о технической стороне эксперимента.

Рис. 1. Оптическая схема установки

На рисунке 1 изображена блок-схема для получения увеличенной картины дифракции Френеля на различного рода препятствиях. Установка состоит из лазера (ЛГ-52), микрообъектива (М), точечной диафрагмы (S), объекта (О), на котором наблюдается дифракция, и плоскости наблюдения (Р₀Р). В этой плоскости может быть установлен белый экран для непосредственного наблюдения, фотоаппарат без объектива для фотографирования или же фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) для фотоэлектрической регистрации. Фотоэлектронный умножитель, закрытый со стороны света диафрагмой с узкой щелью или точечным круглым отверстием, устанавливается на каретке, которая может равномерно перемещать его вместе с диафрагмой в плоскости наблюдения по оси Y. Сигнал ФЭУ, пропорциональный интенсивности света, прошедшего через диафрагму, регистрируется двухкоординатным графопостроителем. Его каретка перемещается с постоянной скоростью по оси абсцисс, а по оси ординат отклоняется пропорционально сигналу ФЭУ. Таким образом прибор регистрирует (в выбранном масштабе) распределение освещенности дифракционной картины в зависимости от расстояния Р₀Р. Длина регистрации при этом составляет 35 мм.

В первом опыте мы получили дифракционную картину на металлическом полированном цилиндре диаметром 2 мм. Ось цилиндра была направлена перпендикулярно плоскости XY, расстояние SO равнялось 1 м, ОР₀ — 2,5 м, Р₀Р — 35 мм (см. рис. 1). Щель шириной 0,05 мм располагалась перед ФЭУ параллельно оси цилиндра.

Рис. 2. Дифракция на цилиндрическом стержне

На рисунках 2 и 3, а представлены результаты этого опыта. Как хорошо видно, в опыте наблюдаются две различные по происхождению картины дифракции. На краях тени цилиндра и во внешней области отчетливо наблюдается обычная краевая дифракция, т. е. чередующиеся темные и светлые области. Кроме того, в области геометрической тени и вне ее видны равноотстоящие друг от друга полосы, параллельные оси цилиндра. Оба вида дифракции можно получить и проанализировать по отдельности.

Рис. 3. Распределение освещенностей при дифракции от стержня (верхняя кривая), от края стержня (средняя кривая) и от двух щелей на краях стержня (нижняя кривая).

Если закрыть цилиндрический стерженек с одной стороны непрозрачным экраном, то свет будет дифрагировать только на одной стороне цилиндра. Получающаяся при этом дифракционная картина показана на рисунке 4, а соответствующая кривая распределения освещенности — на рисунке 3, б. Картина краевой дифракции в этом случае представляет собой систему полос, ширина и контраст которых уменьшаются по мере удаления от геометрической тени стержня.

Рис. 4. Дифракция от одного края стержня.

Рассмотрим теперь второй вид дифракции на стержне, который дает равноотстоящие полосы, параллельные оси цилиндра. Происхождение этих полос может быть описано в представлениях известного вам интерференционного опыта Юнга. Области волнового фронта, прилегающие к поверхности цилиндра, являются источниками вторичных волн, а результат их сложения в плоскости наблюдения и дает интересующую нас дифракционную картину.

Для осуществления такого опыта (аналогичного опыту Юнга) стержень помещался посередине между ножами регулируемой щели S. Ширина щели подбиралась такой, чтобы между поверхностью цилиндра и ножами щели оставались зазоры шириной 0,1 мм. При освещении лазерным светом образовывались две светящиеся линии, которые и давали дифракцию Юнга. Из рисунка 5 видно, что картина дифракции действительно имеет вид равноотстоящих полос. Распределение освещенности в полосах показано соответствующей кривой на рисунке 3, в.

Рис. 5. Интерференционные полосы Юнга.

Итак, дифракцию на цилиндре можно рассматривать как сложение полей двух краевых дифракций и дифракционных полос Юнга. (При сравнении кривых на рисунке 3 следует иметь в виду, что верхняя и средняя кривые снимались при одинаковой чувствительности, а нижняя кривая — при большей чувствительности.) Обычно дифракция Френеля на проволочке связывается только со светлой полосой по оси геометрической тени. Опыты с лазерным светом дают более полное представление о дифракции в этом случае.

Второй опыт проводился с шариком диаметром 2,4 мм.,Шарик аккуратно приклеивался пластилином к плоскопараллельной стеклянной пластинке и устанавливался в расходящийся пучок света, как показано на рисунке 1. При фоторегистрации перед фотоприемником устанавливался экран с круглым отверстием диаметром 0,1 мм.

Рис. 6. Дифракция на шарике.

Результаты этого опыта воспроизведены на рисунках 6 и 7, из которых хорошо видно, что и в случае с шариком наблюдаются также две картины дифракции.

Рис. 7. Распределение освещенности при дифракции шарика.

Конечно же, вы не могли не обратить внимание на то, что в центре геометрической тени заметно яркое пятно, известное физикам как пятно Араго — Пуассона. История этого пятнышка довольно занимательна и поучительна.

Парижская Академия наук предложила дифракцию света в качестве темы на премию за 1818 год. Устроители конкурса в большинстве своем были сторонниками корпускулярной теории света и рассчитывали, что конкурсные работы принесут окончательную победу их теории. Однако Френелем была представлена работа, в которой все известные к тому времени оптические явления объяснялись с волновой точки зрения. Рассматривая эту работу, Пуассон, бывший членом конкурсной комиссии, обратил внимание на то, что из теории Френеля вытекает «нелепый» вывод: в центре тени, отбрасываемой небольшим круглым диском, должно находиться светлое пятно. Араго тут же произвел опыт и обнаружил, что такое пятно действительно имеется. Этот факт, безусловно, помог всеобщему признанию волновой теории света.

Опыты в лазерном свете позволяют наблюдать также кольца в области геометрической тени и вне ее. Происхождение этих колец тоже можно объяснить с точки зрения представлений интерференционного опыта Юнга (если считать, что интерференция света в области геометрической тени создается бесконечным числом диаметрально противоположных источников света волнового фронта, соприкасающегося с шаром).

Таким образом, наблюдения в лазерном свете дают более полные представления о дифракции Френеля на телах простой формы.