Дифракционная решетка: как это работает
Изучение одного из самых распространенных физических явлений – дифракции – привело к возникновению такого устройства, как дифракционная решетка.
В России крупнейший производитель дифракционной оптики – «Швабе» Госкорпорации Ростех. Дифракционные решетки холдинга сегодня функционируют во многих оптических приборах, и не только у нас в стране, но и за рубежом.
Дифракционная решетка: как увидеть радугу
Дифракционная решетка – это оптический прибор, представляющий собой поверхность, на которую нанесено большое число параллельных, равноотстоящих друг от друга микроскопических штрихов (щелей или выступов). Уже из самого названия прибора понятно, что он работает по принципу дифракции света – явления отклонения света от прямолинейного распространения при встрече с препятствием.
У электромагнитных волн, составляющих свет, разный эффект интерференции, или по-простому способности огибать препятствия.
В природе можно обнаружить и множество других естественных дифракционных решеток. Примером грубой дифракционной решетки можно считать ресницы. Смотря на свет сквозь прищуренные веки, можно в какой-то момент увидеть спектральные линии. А физик Джеймс Грегори, который впервые применил дифракционную решетку, использовал в этом качестве птичье перо. Благодаря очень тонкой структуре через перо можно пропустить солнечный свет и увидеть его разложение на спектр.
Изготовление: 3600 штрихов на миллиметр
Сегодня дифракционную решетку можно сделать самому из более современных материалов, например DVD-диска.
Шаг между штрихами такой решетки составляет 0,74 мкм. Это намного более впечатляющий результат по сравнению с самой первой искусственной дифракционной решеткой в мире, которая появилась в 1875 году: она состояла из 50 натянутых волосков с расстоянием между ними в 250 мкм.
Число штрихов современной дифракционной решетки может доходить до 3600 на один миллиметр, и процесс изготовления такого устройства требует очень высокой точности. Если хоть одна щель из множества будет нанесена с ошибкой, то решетка будет забракована. Нарезание решетки длится до 7 суток, хотя время нанесения штриха составляет 3 секунды.
Существуют два вида дифракционных решеток: прозрачные и отражательные. Прозрачная решетка – это стеклянная тонкая пластинка или пластинка из прозрачного пластика, на которую нанесены штрихи. Штрихи дифракционной решетки являются препятствием для света, через них он не может пройти. Оставшиеся между штрихами прозрачные зазоры играют роль щелей.
Отражательная решетка – это металлическая или пластиковая отполированная пластинка, на которую вместо штрихов нанесены бороздки определенной глубины. Такие решетки часто используют при анализе спектров излучения. Вышеупомянутый DVD-диск – яркий пример этого вида дифракционной решетки: расположив его перед глазом, можно найти на нем спектр.
Практическое применение: от ДНК до далекой звезды
Дифракционные решетки широко применяются в различных оптических устройствах: спектральных приборах для получения монохроматического света (монохроматоры, спектрофотометры и др.), в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений, для поляризаторов и оптических фильтров и даже в так называемых антибликовых очках.
Дифракционные решетки нашли свое применение во многих научных исследованиях. Например, этот прибор лег в основу рентгеноструктурного анализа – самого распространенного метода определения структуры вещества.
Этот способ заключается в измерении параметров кристаллической решетки посредством дифракции рентгеновских лучей. То есть в данном случае дифракционная решетка используется не для определения длины волны света, а для обратной задачи – нахождения по длине волны постоянной решетки (расстояния между штрихами).
В настоящее время широко используют рентгеноструктурный анализ биологических молекул и систем. Так, например, по данным, полученным этим методом, из нескольких возможных химических формул пенициллина была выбрана одна. В свое время этим методом были с успехом исследованы такие высокополимерные соединения, как каучук, целлюлоза, многие полиамиды и т.д. Именно с помощью рентгеноструктурного анализа американец Джеймс Уотсон и англичанин Френсис Крик установили структуру молекулы ДНК (двойная спираль), за что и были удостоены в 1962 году Нобелевской премии.
Сегодня изделия дифракционной оптики применяются для научных исследований в области экологии.
Например, в составе гиперспектральных камер для оценки качества воздуха. С их помощью определяют состав и состояние объекта съемки, фиксируя спектральные характеристики каждого пикселя на изображении.
Государственный институт прикладной оптики (ГИПО) холдинга «Швабе» – крупнейший производитель дифракционной оптики в России – поставляет для этих целей решетки и за рубеж. Только за прошлый год было поставлено более 400 изделий в Германию, Ирландию, Норвегию, Словакию и другие страны.
Дифракционная решетка шагнула и далеко за пределы Земли. С ее помощью, например, можно узнать химический состав далеких звезд. Свет, идущий от звезды, собирают зеркалами и направляют на решетку. Таким образом можно узнать все длины волн спектра, а значит, и химические элементы, которые их излучают.
Примеры дифракции в природе. Исследование явления дифракции света
Дифракцией
света называют явление отклонения света
от прямолинейного распространения в
среде с резкими неоднородностями, т.
Рис. 1
Для решения дифракционных задач – отыскания распределения на экране интенсивностей световой волны, распространяющейся в среде с препятствиями, – применяются приближенные методы, основанные на принципах Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля.
Принцип
Гюйгенса: каждая
точка S 1 ,
S 2 ,…,S n
фронта волны AB (рис.
2) является источником
новых, вторичных волн. Новое положение
фронта волны A 1 B 1
через время
представляет собой огибающую поверхность
вторичных волн.
Принцип Гюйгенса-Френеля: все вторичные источники S 1 , S 2 ,…,S n , расположенные на поверхности волны, когерентны между собой, т.е. имеют одинаковую длину волны и постоянную разность фаз. Амплитуда и фаза волны в любой точке М пространства является результатом интерференции волн, излучаемых вторичными источниками (рис. 3).
Рис. 2
Рис. 3
Прямолинейное
распространение луча SM (рис. 3), испущенного
источником S в однородной среде,
объясняется принципом Гюйгенса-Френеля.
Все вторичные волны, излучаемые вторичными
источниками, находящимися на поверхности
фронта волны АВ, гасятся в результате
интерференции, кроме волн от источников,
расположенных на малом участке сегмента ab ,
перпендикулярно к SM. Свет распространяется
вдоль узкого конуса с очень малым
основанием, т.е.
Дифракционная решетка.
На явлении дифракции основано устройство замечательного оптического прибора – дифракционной решетки. Дифракционной решеткой в оптике называется совокупность большого числа препятствий и отверстий, сосредоточенных в ограниченном пространстве, на которых происходит дифракция света.
Простейшей дифракционной решеткой является система из N одинаковых параллельных щелей в плоском непрозрачном экране. Хорошая решетка изготавливается с помощью специальной делительной машины, наносящей на специальной пластинке параллельные штрихи. Число штрихов доходит до нескольких тысяч на 1мм; общее число штрихов превышает 100000 (рис. 4).
Рис.5
Рис. 4
Если ширина прозрачных промежутков (или отражающих полос) b, а ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет полос) a , то величина d=b+a называется постоянной (периодом) дифракционной решетки (рис. 5).
По
принципу Гюйгенса-Френеля каждый
прозрачный промежуток (или щель) является
источником когерентных вторичных волн,
способных интерферировать друг с другом.
Если на дифракционную решетку
перпендикулярно к ней падает пучок
параллельных лучей света, то под углом
дифракции φ на экране Э (рис. 5), расположенном
в фокальной плоскости линзы, будет
наблюдаться система дифракционных
максимумов и минимумов, полученная в
результате интерференции света от
различных щелей.
Найдем условие, при котором идущие от щелей волны усиливают друг друга. Рассмотрим для этого волны, распространяющиеся в направлении, определяемом углом φ (рис. 5). Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка DK=d∙sinφ . Если на этом отрезке укладывается целое число длин волн, то волны от всех щелей, складываясь, будут усиливать друг друга.
Главные
максимумы при
дифракции на решетке наблюдаются под
углом φ, удовлетворяющими условию d∙sinφ=mλ ,
где m=0,1,2,3… называется порядком главного максимума.
Величина δ=DK=d∙sinφ является оптической разностью хода
между сходственными лучами BM и DN ,
идущими от соседних щелей.
Главные минимумы на дифракционной решетке наблюдаются под такими углами φ дифракции, для которых свет от разных частей каждой щели полностью гасится в результате интерференции. Условие главных максимумов совпадает с условием ослабления на одной щели d∙sinφ=nλ (n=1,2,3…).
Дифракционная решетка является одним из простейших достаточно точных устройств для измерения длин волн. Если период решетки известен, то определение длины волны сводится к измерению угла φ, соответствующего направлению на максимум.
Чтобы наблюдать явления, обусловленные волновой природой света, в частности, дифракцию необходимо использовать излучение, обладающее высокой когерентностью и монохроматичностью, т.е. лазерное излучение. Лазер является источником плоской электромагнитной волны.
Дифракция — это огибание волнами препятствий. В слу-чае света определение дифракции может звучать так:
Диф-ракция — это любые отклонения в распространении свето-вых волн от законов геометрической оптики, в частности это проникновение света в область геометрической тени.
Иногда используют более широкое определение:
Диф-ракцией называется совокупность явлений, которые на-блюдаются при распространении волн в среде с резкими неоднородностями.
Классический пример дифракции — прохождение сфе-рической световой волны через маленькое круглое отвер-стие, когда на экране вместо освещенного круга с четкими границами наблюдается светлый круг с размытыми грани-цами, испещренный чередующимися темными и светлыми кольцами.
Изменяя диаметр отверстия, мы увидим, что кар-тинка на экране будет меняться, в частности, в цен-тре освещенного круга будет появляться и исчезать темное пятно. Объяснение этому явлению дал Фре-нель . Он разбил волновой фронт на зоны так, что расстояния от соседних зон до точки наблюдения отличаются на полдлины волны. Тогда вторичные волны, приходящие от соседних зон, гасят друг дру-га. Поэтому если в отверстии помещается четное число зон, то в центре освещенного круга будет темное пятно, если нечетное — светлое.
Дифракционная решетка — это оптический прибор, представляющий собой пластину, на которую нанесено большое количество регулярно рас-положенных штрихов. Вместо штрихов на пластине могут быть регулярно распо-ложенные щели, или канавки, или вы-ступы.
Дифракционная картинка, получающая-ся на таких периодических структурах, имеет вид чередующихся максимумов и минимумов различной интенсивности. Материал с сайта
Дифракционные решетки используются в спектральных приборах. Их назначение — изучение спектрального состава электро-магнитного излучения. Для работы в ультра-фиолетовой области применяются решет-ки, у которых на 1 мм приходится 3600—1200 штрихов, в видимой — 1200—600 штрихов/мм, в инфракрасной — 300 и меньше штрихов/мм. Для ультракоротких рентгеновских волн дифракционную ре-шетку создала природа — это кристаллическая решетка твер-дых тел.
Волны с большей длиной дифрагируют сильнее, поэтому при прохождении препятствия красные лучи больше отклоняются от прямолинейного пути, чем синие.
При падении белого света на призму лучи в результате диспер-сии отклоняются в обрат-ном порядке. Скорость света красных лучей в стекле больше, а соответ-ственно и коэффициент преломления меньше, чем синих. В результате красные лучи меньше от-клоняются от первона-чального направления.
Дифракция на двух щелях
Дифракция – явление, возникающее при распространении волн (например, световых и звуковых волн). Суть этого явления заключается в том, что волна способна огибать препятствия. Это приводит к тому, что волновое движение наблюдается в области за препятствием, куда волна не может попасть прямо. Явление объясняется интерференцией волн на краях непрозрачных объектов или неоднородностях между различными средами на пути распространения волны. Примером может быть возникновение цветных световых полос в области тени от края непрозрачного экрана.
Дифракция хорошо проявляется тогда, когда размер препятствия на пути волны сравним с ее длиной или меньше.
Дифракция акустическая – отклонение от прямолинийого распространения звуковых волн.
1. Дифракция на щели
Схема образования областей света и тени при дифракции на щели
В случае, когда волна падает на экран со щелью, она проникает воспрепятствовать благодаря дифракции, однако наблюдается отклонение от прямолинейного распространения лучей. Интерференция волн за экраном приводит к возникновению темных и светлых областей, расположение которых зависит от направления, в котором ведется наблюдение, расстоянии от экрана и т.п..
2. Дифракция в природе и технике
Дифракция звуковых волн часто наблюдается в повседневной жизни, поскольку мы слышим звуки, которые доносятся до нас из-за препятствий. Легко наблюдать огибания небольших препятствий волнами на воде.
Научные и технические использования явления дифракции – разнообразны. Дифракционные решетки служат для разложения света в спектр и для создания зеркал (например, для полупроводниковых лазеров). Дифракция рентгеновских лучей , электронов и нейтронов используется для исследования структуры кристаллических твердых тел.
Время дифракция накладывает ограничения на разрешение оптических приборов, например, микроскопов . Объекты, размеры которых меньше длины волны видимого света (400 760 нм) невозможно рассмотреть в оптический микроскоп. Похоже ограничение действует в методе литографии, который широко используется в полупроводниковой промышленности при производстве интегральных схем . Поэтому приходится использовать источники света в ультрафиолетовой области спектра.
3. Дифракция света
Явление дифракции света наглядно подтверждает теорию корпускулярно-волнового природы света.
Наблюдать дифракцию света трудно, так как волны отклоняются от помех на заметные углы лишь при условии, что размеры препятствий примерно равны длине волны света , а она очень мала.
Впервые, открыв интерференцию, Юнг выполнил опыт по дифракции света, с помощью которого были изучены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета. Изучение дифракции получило свое завершение в трудах О.
Френеля , который и построил теорию дифракции, которая в принципе позволяет рассчитывать дифракционную картину, которая возникает вследствие огибания светом любых препятствий. Таких успехов Френель достиг, объединив принцип Гюйгенса идеей интерференции вторичных волн. Принцип Гюйгенса-Френеля формулируется так: дифракция возникает вследствие интерференции вторичных волн.
Определение 1
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.
В классической физике, явление дифракции описывается как интерференция волны в соответствии с принципом Гюйгенса -Френеля. Эти характерные модели поведения проявляются, когда волна встречает препятствие или щель, которая сравнима по размерам с ее длиной волны. Подобные эффекты возникают, когда световая волна проходит через среду с изменяющимся показателем преломления, или когда звуковая волна проходит через среду с изменением акустического импеданса. Дифракция происходит со всеми видами волн, в том числе звуковыми волнами, ветровыми волнами и электромагнитными волнами, а также с видимым светом, рентгеновскими лучами и радиоволнами.
Поскольку физические объекты имеют волновые свойства (на атомном уровне), дифракция происходит также с веществами и может быть изучена в соответствии с принципами квантовой механики.
Примеры
Эффекты дифракции часто встречаются в повседневной жизни. Наиболее яркими примерами дифракции являются те, которые связаны со светом; например, близко расположенные дорожки на CD или DVD дисках выступают в качестве дифракционной решетки. Дифракция в атмосфере мелких частиц может привести к яркому кольцу, которое видно возле яркого источника света, такого как солнце или луна. Спекл, который наблюдается, когда лазерный луч падает на оптически неровную поверхность, также является дифракцией. Все эти эффекты являются следствием того факта, что свет распространяется в виде волны.
Замечание 1
Дифракция может произойти с любым видом волны.
Океанские волны рассеивают вокруг пристаней и других препятствий. Звуковые волны могут преломляться вокруг объектов, поэтому можно услышать, что кто-то зовет, даже когда он прячется за деревом.
История
Эффекты дифракции света были хорошо известны во времена Гримальди Франческо Марии, который также ввел термин дифракции. Результаты, полученные, Гримальди были опубликованы посмертно в $1665 $году. Томас Юнг провел знаменитый эксперимент в $1803$ году, демонстрируя интерференцию от двух близко расположенных щелей. Объясняя свои результаты с помощью интерференции волн, исходящих от двух разных щелей, он сделал вывод, что свет должен распространяться в виде волн. Френель сделал более точные исследования и расчеты дифракции, которые были опубликованы в $1815$ г. В основу своей теории Френель использует определение света, разработанное Христианом Гюйгенсом, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. Экспериментальное подтверждение теории Френеля стало одним из главных доказательств волновой природы света. В настоящее время эта теория известна как принцип Гюйгенса-Френеля.
Дифракция света
Дифракция на щели
Длинная щель бесконечно малой ширины, которая освещается светом, преломляет свет в серию круговых волн и в волновой фронт, который выходит из щели и является цилиндрической волной однородной интенсивности.
Щель, которая шире, чем длина волны производит эффекты интерференции в пространстве на выходе из щели. Их можно объяснить тем, что щель ведет себя так, как будто она имеет большое количество точечных источников, которые распределены равномерно по всей ширине щели. Анализ этой системы упрощается, если рассматривать свет одной длины волны. Если падающий свет является когерентным, эти все источники имеют одинаковую фазу.
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка представляет собой оптический компонент с периодической структурой, который расщепляет и дифрагирует свет на несколько лучей, распространяющихся в разных направлениях.
Свет, дифрагированный на решетке определяется путем суммирования света, дифрагированного от каждого из элементов, и по существу является сверткой дифракционных и интерференционных картин.
Дифракция в нашей жизни (в быту) – Дифракция в нашей жизни (в быту)
приобрести
Дифракция в нашей жизни (в быту)
скачать (28.
6 kb.)
Доступные файлы (1):
| n1.docx | 29kb. | 07.07.2012 22:30 | скачать |
- Смотрите также:
- Вейн А.М. Сон – тайны и парадоксы (Документ)
- Шпаргалки по Физике: Оптика (Документ)
- Подготовка азс к эксплуатации в (Документ)
- Контрольная работа – Вода и ее полезные свойства (Лабораторная работа)
- Вклад советских медиков в победу в великой отечественной войне (Документ)
- Реферат техника плавания кролем на груди (Документ)
- Я считаю, что искусство имеет большое значение в нашей жизни (Документ)
- Дифракция света (Документ)
- Млодинов Л. Несовершенная случайность. Как случай управляет нашей жизнью (Документ)
- Оптика (Документ)
- Бехтерева Н.П. Магия мозга и лабиринты жизни (Документ)
- «Основные образы животных в баснях И. А. Крылова» (Документ)
Дифракция в нашей жизни (в быту)
Дифракцией света называют совокупность явлений, которые обусловлены волновой природой света и наблюдаются при его распространении в среде с резко выраженными неоднородностями (например, при прохождении через отверстия в непрозрачных экранах, вблизи границ непрозрачных тел и т.
д.) В более узком смысле под дифракцией понимают явление огибания светом малых препятствий, т.е. отклонения от законов геометрической оптики и следовательно проникновение света в область геометрической тени.
Дифракцию света Френель объяснил как результат интерференции вторичных волн согласно принципу Гюйгенса-Френеля. [Гюйгенса-Френеля принцип– это приближенный метод решения задач о распространении волн, особенно световых. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, каждый элемент поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных волн, огибание которых будет волновой поверхностью в следующий момент времени .Положение фронта распространяющейся волны может быть в любой момент времени представлено огибающей всех вторичных (элементарных) волн, Рис.1. Источниками вторичных волн являются точки, до которых дошел фронт первичной волны в предшествующий момент времени. При этом предполагается, что вторичные волны излучаются только «вперед», т.е. в направлениях, составляющих острые углы с направлением внешней нормали к фронту первичной волны.
Принцип Гюйгенса позволяет объяснить законы отражения и преломления света, однако он недостаточен для объяснения дифракционной картины.
Рис. 1
В более широком толковании, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве волн. Дифракция тесно связана с явлением интерференции – взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве. Сопровождается чередованием максимумов и минимумов интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина -голограмма) зависит от разности фаз накладывающихся волн. интерференция в тонких пленках (метод деления волнового фронта), при которой складываются электромагнитные волны, отразившиеся от двух поверхностей . В зависимости от соотношения между толщиной пленки и длиной волны излучения наблюдается усиление или ослабление цвета. При освещении белым светом (смесь с различными длинами волн) возникает зависящая от толщины цветная окраска пленки (например, радужные разводы на пятне нефти в воде).
Описанный способ окраски используется в природе: пестрая расцветка крыльев бабочек обусловлена не наличием красящего пигмента, а интерференцией света в тонких прозрачных чашуйках крыльев. В технике интерференционные покрытия используются для создания зеркал с высоким коэффициентом отражения (“диэлектрические зеркала”) и для просветления оптики (гашения волн, отраженных от многочисленных поверхностей линз сложных объективов). Высокая чувствительность наблюдаемой картины распределения интенсивностей к разности хода интерферирующих пучков лежит в основе целого класса сверх точных приборов, называемых интерферометрами. Например измеряющие сверх-малые скорости движения (несколько сантиметров в год): сползание ледников, дрейф материков и т.д.
Производство высококачественных голограмм стало возможным после создания лазеров – мощных источников монохроматического излучения, способных давать устойчивую интерференционную картину даже при больших разностях хода интерферииующих пучков.
Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции (интерференция вторичных волн.
Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой в качестве диспергирующего элемента (монохроматоры, спектрографы, спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковых волнах в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света.
Очень широка сфера практического применения приборов, основанных на квантовых оптических явлениях – фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, усилителей яркости изображения (электроннооптических преобразователей), передающих телевизионных трубок и т.д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электроэнергию для питания электро-, радио – и др. аппаратуры (т. н. солнечные батареи). На основе фотохромных материалов разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислительной техники и созданы защитные светофильтры с автоматическим увеличением поглощения света при возрастании его интенсивности.
Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке оптических методов разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химических реакций, позволило найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярном уровне) и медицине (см. Лазерное излучение). В технике использование лазеров привело к появлению оптических методов обработки материалов
Дифракция волн наблюдается независимо от их природы и может проявляться:
в преобразовании пространственной структуры волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях — как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определенном направлении;
в разложении волн по их частотному спектру;
В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон в 1671—1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму.
Например радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму.
в преобразовании поляризации волн;
Поляриза́ция волн — явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу.
в изменении фазовой структуры волн.
Дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны. В природе примером дифракции являются миражи – это отражения каких-то вещей или явлений на поверхности раскаленного песка, асфальта, моря и т.д. Это происходит от того, что в разных слоях воздуха температура разная, а разность температуры действует как зеркало. Мираж – это нечто иное, как отраженные предметы или явления, которые мы принимаем за реальность.
Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса
Список литературы
Мирошников М.
М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: учебное пособие для приборостроительных вузов. – 2-е издание, перераб. и доп. – Спб.: Машиностроение, 2003 — 696 с.
Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1970. – 856 с.
Википедия
Дифракция в нашей жизни (в быту)
Дифракция света и дифракционная решетка: определение простыми словами
Дифракция и интерференция светаПервые опыты и активные исследования природы света начались еще в далеком XVII веке, когда итальянский ученый Франческо Гримальди впервые открыл такое интересное физическое явление как дифракция света. Что же такое дифракция света? Это отклонение света от прямолинейного распространения в силу определенных препятствий на его пути.
Более научное объяснение причинам дифракции света было дано в начале XIX века английским ученым Томасом Юнгом, согласно нему дифракция света возможна благодаря тому, что свет представляет собой волну, идущую от своего источника и естественным образом искривляющуюся при попадании на определенные препятствия. Им же была изобретена первая дифракционная решетка, представляющая собой оптический прибор, работающий на основе дифракции света, то есть специально искривляющий световую волну.
Дифракция и интерференция света
Изучая поведение монохроматического пучка света, Томас Юнг, разделив его пополам, получил дифракционную картину, которая представляла собой последовательное чередование ярких и темных полос на экране. Волновая теория природы света, сформированная Юнгом, прекрасно объясняла это явление. Будучи волной, пучок света при попадании на непрозрачное препятствие искривляется, меняет траекторию своего движения. Так появляется дифракция света, при которой свет может, как целиком огибать препятствия (если длина световой волны больше размеров препятствия) или искривлять свою траекторию (когда размеры препятствий сопоставимы с длиной световой волны).
Примером тут может быть попадание света через узкие щели или небольшие отверстия, как на фото ниже.
Луч света в пещере, наглядная иллюстрация дифракции света в природе.
А тут на картинке показано более схематическое изображение дифракции.
Физическое явление дифракции света дополняет еще одно важное свойство световой волны – интерференция света. Суть интерференции света заключается в накладывании одних световых волн на другие. В результате может происходить искривление синусоидальной формы результирующей волны.
Так схематически выглядит интерференция.
При этом, волны, которые накладываются, могут, как усиливать мощь общей световой волны (при совпадении амплитуд), так и наоборот погасить ее.
Дифракционная решетка
Как мы писали выше, дифракционная решетка представляет собой простой оптический прибор, который искривляет световую волну.
Вот так она выглядит.
Или еще чуть более маленький экземпляр.
Также дифракционную решетку можно охарактеризовать тремя параметрами:
- Период d. Он представляет собой расстояние между двумя щелями, через которые проходит свет. Так как длина световой волны обычно находится в диапазоне нескольких десятых микрометра, то величина d обычно имеет 1 микрометр.
- Постоянная решетка а. Это количество прозрачных щелей на длине 1 мм поверхности решетки. Эта величина обратно пропорциональна периоду дифракционной решетки d. Обычно имеет 300-600 мм-1
- Общее количество щелей N. Высчитывается путем умножения длины дифракционной решетки на ее постоянную а. Обычно длина решетки имеет несколько сантиметров, а количество щелей при этом составляет 10-20 тысяч.
Виды решеток
На самом деле есть целых два вида дифракционных решеток: прозрачная и отражающая.
Прозрачная решетка представляет собой прозрачную тонкую пластину из стекла или прозрачного пластика, на которую нанесены штрихи. Штрихи эти как раз и являются препятствиями для световой волны, сквозь них она не может пройти.
Ширина штриха – это и есть, по сути, период дифракционной решетки d. А оставшиеся между штрихами прозрачные зазоры – это щели. Такие решетки наиболее часто применяются при выполнении лабораторных работ.
Отражающая дифракционная решетка – это металлическая либо пластиковая и отполированная пластина. Вместо штрихов на нее нанесены бороздки определенной глубины. Период d соответственно это расстояние между этими бороздками. Простым примером отражающей дифракционной решетки может быть оптический CD диск.
Такие решетки часто используют при анализе спектров излучения, так как благодаря их дизайну можно удобно распределить интенсивность максимумов дифракционной картины на пользу максимумов более высокого порядка.
Принцип работы
Представим, что на нашу решетку падает свет, имеющий плоский фронт. Это важный момент, так как классическая формула будет верна при условии, что волновой фронт является плоским и параллельным самой пластинке. Штрихи решетки будут вносить в этот световой фронт возмущение и как результат на выходе из решетки создаться ситуация будто бы работает множество когерентных (синхронных) источников излучения.
Эти источники и являются причиной дифракции.
От каждого источника (по сути щели между штрихами решетки) будут распространяться световые волны, которые будут когерентными (синхронными) друг другу. Если на некотором расстоянии от решетки поместить экран, то мы сможем увидеть на нем яркие полосы, между которыми будет тень.
Формула
Яркие полосы, которые мы увидим на экране можно также назвать максимумами решетки. Если рассматривать условия усиления световых волн, то можно вывести формулу максимума дифракционной решетки, вот она.
sin(θm) = m*λ/d
Где θm это углы между перпендикуляром к центру пластинки и направлением на соответствующую линию максимума на экране. Величина m называется порядком дифракционной решетки. Она принимает целые значения и ноль, то есть m = 0, ±1, 2, 3 и так далее. λ – длина световой волны, а d – период решетки.
Таким образом, можно рассчитать положение всех максимумов решетки.
Разрешающая способность
Разрешающей способностью называют способность решетки разделить две волны с близкими значениями длины λ на два отдельных максимума на экране.
Применение
Какое же практическое применение дифракционной решетки, в чем ее конкретная польза? Дифракционная решетка является важным и незаменимым инструментов в спектроскопии, так с ее помощью можно узнать, например, химический состав далекой звезды. Свет, идущий от этой звезды, собирают зеркалами и направляют на решетку. Измеряя значения θm можно узнать все длины волн спектра, а значит и химические элементы, которые их излучают.
Видео
И в завершение интересное образовательное видео по теме нашей статьи от заслуженного учителя Украины – Павла Виктора, на наш взгляд его видео лекции на Ютубе по физике могут быть очень полезными для всех, кто изучает этот предмет.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной.
Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.
Страница про автора
1
Первый слайд презентации: Тема: Использование интерференции в науке и технике. Дифракция света. Дифракция на щели в параллельных лучах. Дифракционная решетка. Понятие о голографии
Изображение слайда
2
Слайд 2: Сияя гладкой пленкой, Растягиваясь вниз, Выходит нежный, тонкий, Раскрашенный пузырь. Горит как хвост павлиний. Каких цветов здесь нет! Лиловый, красный, синий, Зеленый, желтый цвет.
С.Маршак
Изображение слайда
3
Слайд 3: Ответьте в тетрадь на вопросы:
Что такое свет? Какова его природа? Какие свойства света являются корпускулярными? Какие свойства являются волновыми? Что такое интерференция волн? Какие волны дают устойчивую интерференционную картину? Назовите несколько примеров применения интерференции света (Связать примеры с вашей будущей специальностью). Подумайте, почему мыльный пузырь имеет радужную окраску?
Изображение слайда
4
Слайд 4: Свет … Такое короткое и в то же время такое ёмкое слово. В слове «свет» заключена вся физика. (С.И.Вавилов)
Изображение слайда
5
Слайд 5: В чем заключается понятие «дифракция волн»?
Дифракция волн – явление огибания волнами препятствий и проникновение их в область геометрической тени.
Зависимость отклонения
волн от размеров отверстия
Изображение слайда
6
Слайд 6
ДИФРАКЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН нарушение целостности фронта световой волны из-за неоднородности среды нарушение закона прямолинейного распространения света. ПРОЯВЛЯЕТСЯ КАК:
Изображение слайда
7
Слайд 7: Примеры дифракции механических волн
Волны огибают большую скалу и область тени постепенно исчезает Звуковым волнам присуще явление дифракции, поэтому мы слышим сигнал машины из-за угла дома.
Изображение слайда
8
Слайд 8
“Свет распространяется или рассеивается не только
прямолинейно, отражением и преломлением,
но и также четвертям способом – дифракцией” (Ф.
Гримальди 1665г.)
Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона.
Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т. Юнгом.
Изображение слайда
9
Слайд 9
ОПЫТ Т. ЮНГА Свет от Солнца падал на экран с узкой щелью S.Прошедшая через щель световая волна затем падала на второй экран уже с двумя щелями S1 и S2. Когда в область перекрытия световых волн, идущих от S1 и S2 помещался третий экран, то на нем появлялись параллельные интерференционные полосы, содержащие (по словам Юнга) «красивое разнообразие оттенков, постепенно переходящие один в другой». Именно с помощью этого опыта Юнг смог измерить длины волн световых лучей разного цвета.
Изображение слайда
10
Слайд 10
Примеры дифракционных картин от различных препятствий от круглого отверстия; от тонкой проволоки или щели; от круглого экрана;
Изображение слайда
11
Слайд 11
Дифракция – явление распространения
света в среде с резкими
неоднородностями (вблизи границ прозрачных
и непрозрачных тел,
сквозь малые отверстия).
ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА-ФРЕНЕЛЯ
Дифракционная картина является
результатом интерференции вторичных световых волн, возникающих в каждой
точке поверхности, достигнутой к какому-либо моменту данной световой волной.
Изображение слайда
12
Слайд 12
По принципу Гюйгенса-Френеля огибающая вторичных волн на краях препятствия заходит в область тени.
Изображение слайда
13
Слайд 13
Дифракционная решетка — оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов, нанесенных на поверхность.
Первое описание явления сделал Джеймс Грегори, который использовал в качестве решетки птичьи перья.
На современных решетках наносят до 1000 штрихов на 1 мм.
Изображение слайда
14
Слайд 14
В упрощенной теории каждую прозрачную часть можно считать точечным источником света, который излучает вторичные волны по всем направлениям. Разность хода между волнами от ближайших источников зависит от выбранного направления. Чем больше угол отклонения, тем больше разность хода. Принцип действия дифракционной решетки
Изображение слайда
15
Слайд 15
Величина, равная сумме ширины прозрачной и непрозрачной части, называется постоянной дифракционной решетки ( d). Из прямоугольного треугольника: Для некоторых углов разность хода кратна длине волны, следовательно, для этих углов выполняется условие max : Принцип действия дифракционной решетки
Изображение слайда
16
Слайд 16
Тонкий луч света создает
на экране четкую
интерференционную картину.
При падении на решетку широкого луча максимумы на экране пересекаются.
Линза, поставленная за решеткой, создает четкую интерференционную картину в фокальной плоскости.
Принцип действия дифракционной решетки
Изображение слайда
17
Слайд 17
Почему «0» max белый, а остальные раскладываются в спектр? Из рисунка видно: чем больше длина волны, тем больше угол отклонения лучей, создающих максимум 1 порядка. В «0» максимуме складываются все длины волн, а в максимумах больших порядков разные цвета не суммируются.
Изображение слайда
18
Слайд 18: Выполните тест:
1. Какое из приведенных ниже выражений определяет понятие дифракция?
А. Наложение когерентных волн Б.
Разложение света в спектр при преломлении
В. Огибание волной препятствия
2. Какое из наблюдаемых явлений объясняется дифракцией?
А.Излучение света лампой накаливания
Б. Радужная окраска компакт-дисков В. Получение изображения на киноэкране
3. Какое из наблюдаемых явлений объясняется дифракцией?
А. Радужная окраска тонких мыльных пленок
Б. Появление светлого пятна в центре тени от малого непрозрачного диска
В. Отклонение световых лучей в область геометрической тени
4. Какое условие является необходимым для наблюдения дифракционной картины?
А. Размеры препятствия много больше длины волны
Б. Размеры препятствия сравнимы с длиной волны
В. Размеры препятствия много больше амплитуды волны
5. Свет какого цвета располагается дальше всего от центра дифракционной картины? А. Красного Б. Зеленого В. Фиолетового
Выполните тест:
Изображение слайда
19
Последний слайд презентации: Тема: Использование интерференции в науке и технике.
Дифракция света. Дифракция: Домашнее задание
Учебник: Дмитриева, В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля [Текст]: учебник для студ. учреждений СПО / В. Ф. Дмитриева. – 4-е изд., стер. – М. : ИЦ Академия, 2017. Параграфы 19.1-19.8, знать основные понятия !!!
Изображение слайда
Рабочая программа учебной дисциплины “Физика”
1. Паспорт рабочей программы учебной дисциплины ОУД.10.В ФИЗИКА1.1. Область применения программы
Рабочая программа учебной дисциплины ОУД.10.В Физика является частью общеобразовательного цикла образовательной программы СПО – программы подготовки специалистов среднего звена по специальности 18.02.03 Химическая технология неорганических веществ.
1.2. Место дисциплины в структуре основной профессиональной образовательной программы
Учебная дисциплина Физика входит в общеобразовательный цикл профессионального образования.
Учебная дисциплина относится к предметной области ФГОС среднего общего образования «Естественные науки», общей из обязательных предметных областей. Уровень освоения учебной дисциплины в соответствии с ФГОС среднего общего образования профильный.
Реализация содержания учебной дисциплины предполагает соблюдение принципа строгой преемственности по отношению к содержанию курса «Физика» на ступени основного общего образования. В то же время учебная дисциплина «Физика» для профессиональных образовательных организаций СПО обладает самостоятельностью и цельностью.
Рабочая программа учебной дисциплины «Физика» имеет межпредметную связь с дисциплинами общеобразовательного цикла математика, химия и дисциплинами профессионального цикла Процессы и аппараты в химическом производстве.
Изучение учебной дисциплины «Физика» завершается промежуточной аттестацией в форме дифференцированного зачета в рамках освоения ППССЗ на базе основного общего образования.
1.3. Планируемые результаты освоения учебной дисциплины
Планируемые результаты освоения учебной дисциплины:
личностные:
- чувство гордости и уважения к истории и достижениям отечественной физической науки; физически грамотное поведение в профессиональной деятельности и быту при обращении с приборами и устройствами;
- готовность к продолжению образования и повышения квалификации в избранной профессиональной деятельности и объективное осознание роли физических компетенций в этом;
- умение использовать достижения современной физической науки и физических технологий для повышения собственного интеллектуального развития в выбранной профессиональной деятельности;
- умение самостоятельно добывать новые для себя физические знания, используя для этого доступные источники информации;
- умение выстраивать конструктивные взаимоотношения в команде по решению общих задач;
- умение управлять своей познавательной деятельностью, проводить самооценку уровня собственного интеллектуального развития;
метапредметные:
- использование различных видов познавательной деятельности для решения физических задач, применение основных методов познания (наблюдения, описания, измерения, эксперимента) для изучения различных сторон окружающей действительности;
- использование основных интеллектуальных операций: постановки задачи, формулирования гипотез, анализа и синтеза, сравнения, обобщения, систематизации, выявления причинно-следственных связей, поиска аналогов, формулирования выводов для изучения различных сторон физических объектов, явлений и процессов, с которыми возникает необходимость сталкиваться в профессиональной сфере;
- умение генерировать идеи и определять средства, необходимые для их реализации;
- умение использовать различные источники для получения физической информации, оценивать ее достоверность;
- умение анализировать и представлять информацию в различных видах;
- умение публично представлять результаты собственного исследования, вести дискуссии, доступно и гармонично сочетая содержание и формы представляемой информации;
предметные:
- сформированность представлений о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений, роли физики в формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач;
- владение основополагающими физическими понятиями, закономерностями, законами и теориями; уверенное использование физической терминологии и символики;
- владение основными методами научного познания, используемыми в физике: наблюдением, описанием, измерением, экспериментом;
- умения обрабатывать результаты измерений, обнаруживать зависимость между физическими величинами, объяснять полученные результаты и делать выводы;
- сформированность умения решать физические задачи;
- сформированность умения применять полученные знания для объяснения условий протекания физических явлений в природе, профессиональной сфере и для принятия практических решений в повседневной жизни;
- сформированность собственной позиции по отношению к физической информации, получаемой из разных источников.
1.4. Количество часов на освоение программы дисциплины:
максимальной учебной нагрузки обучающегося – 297 часов, в том числе:
- обязательной аудиторной учебной нагрузки обучающегося – 198 часов;
- самостоятельной работы обучающегося – 99 часов.
2.1. Объем учебной дисциплины и виды учебной работы
| Вид учебной работы | Объем часов |
Максимальная учебная нагрузка (всего) | 297 |
Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего) | 198 |
в том числе: |
|
– лабораторные занятия |
|
– практические занятия | 46 |
– контрольные занятия |
|
– индивидуальный проект |
|
Самостоятельная работа обучающегося (всего) | 99 |
в том числе: |
|
– подготовка устных выступлений по заданным темам, эссе, докладов, рефератов, индивидуального проекта с использованием информационных технологий и др. |
|
Промежуточная аттестация в форме дифференцированного зачета | |
2.2 Тематический план и содержание учебной дисциплины “Физика”
3. Условия реализации программы дисциплины3.1. Требования к минимальному материально-техническому обеспечению
Реализация программы дисциплины требует наличия:
- учебного кабинета Физики, электротехники.
Оборудование учебного кабинета Физики, электротехники:
- посадочные места по количеству обучающихся;
- рабочее место преподавателя.
Технические средства обучения:
- компьютер с лицензионным программным обеспечением и мультимедиапроектор.
Учебно-наглядные пособия:
Наглядные пособия:
- комплекты учебных таблиц, плакатов,
- портретов выдающихся ученых и др.
Раздаточный дидактический материал:
- карточки-задания для самостоятельной работы.
Средства контроля (на бумажных носителях):
- текущего;
- рубежного;
- итогового.
3.2. Информационное обеспечение обучения
Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы
Основные источники:
- Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования / В.Ф.Дмитриева. – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. – 448 с. (и электронная версия)
- Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Сборник задач [Текст]: учеб. пособие для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования / В.Ф.Дмитриева. – 3-е изд. стер. – М.: Издательский центр Академия, 2013.
– 256 с. (и электронная версия)
Дополнительные источники:
- Дмитриева В.Ф. Физика [Текст]: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования / В.Ф.Дмитриева. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 464 с.
- Дмитриева, В.Ф. Задачи по физике [Текст]: учеб. пособие для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / В.Ф.Дмитриева. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 340 с.
- Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс [Текст]: учебник для образоват. организаций с прил. на электрон. носителе: базовый и профильный уровень уровень / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский; под ред. Н.А.Партфентьевой.- 23-е изд., – М.: Просвещение, 2014.- 366 с.
- Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс [Текст]: учебник для образоват. организаций с прил. на электрон. носителе: базовый и профильный уровень уровень / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский; под ред. Н.А.Партфентьевой.- 23-е изд., – М.: Просвещение, 2014.
– 399 с - Марон А.Е. Физика дидактические материалы 10 класс [Текст]: учеб. пособие / А.Е.Марон, Е.А.Марон. – 9-е изд. стереотип. – М.: Дрофа, 2013. – 156 с.
- Марон А.Е. Физика дидактические материалы 11 класс [Текст]: учеб. пособие / А.Е.Марон, Е.А.Марон. – 9-е изд. стереотип. – М.: Дрофа, 2013. – 143 с.
- Рымкевич А.П. Физика. Задачник 10-11 кл. [Текст]: пособие для образовательных учреждений / А.П.Рымкевич. – 17 –е изд. стереотип. – М.: Дрофа, 2013. – 188 с. (электронная версия)
Контроль и оценка результатов освоения дисциплины осуществляется преподавателем в процессе проведения практических занятий и лабораторных работ, тестирования, а также выполнения обучающимися индивидуальных заданий, проектов, исследований.
Оценка качества освоения учебной программы включает текущий контроль успеваемости, промежуточную аттестацию по итогам освоения дисциплины.
Текущий контроль проводится в форме устного опроса, оценки выполнения практических работ, само и взаимоконтроля.
Промежуточная аттестация по дисциплине проводится в форме дифференцированного зачета.
Результаты обучения | Формы и методы |
Умения постановки целей деятельности, планирования собственной деятельности для достижения поставленных целей, предвидения возможных результатов этих действий, организации самоконтроля и оценки полученных результатов. | Устный опрос |
Представление механического движения тела уравнениями зависимости координат и проекцией скорости от времени. | Устный опрос |
Применение закона сохранения импульса для вычисления изменений скоростей тел при их взаимодействиях. | Устный опрос |
Выполнение экспериментов, служащих для обоснования | Устный опрос |
Измерение количества теплоты в процессах теплопередачи. | Устный опрос |
Измерение влажности воздуха. | Устный опрос |
Вычисление сил взаимодействия точечных электрических зарядов. | Устный опрос |
Измерение мощности электрического тока. | Устный опрос |
Измерение индукции магнитного поля. | Устный опрос |
Исследование зависимости периода колебаний математического маятника от его длины, массы и амплитуды колебаний. | Устный опрос |
Измерение длины звуковой волны по результатам наблюдений интерференции звуковых волн. | Устный опрос |
Наблюдение осциллограмм гармонических колебаний силы тока в цепи. Измерение электроемкости конденсатора. Измерение индуктивность катушки. | Устный опрос |
Осуществление радиопередачи и радиоприема. Исследование свойств электромагнитных волн с помощью мобильного телефона. | Устный опрос |
Применение на практике законов отражения и преломления света при решении задач. | Устный опрос |
Наблюдение явления интерференции электромагнитных волн. | Устный опрос |
Наблюдение фотоэлектрического эффекта. | Устный опрос |
Наблюдение линейчатых спектров. | Устный опрос |
Наблюдение треков альфа-частиц в камере Вильсона. | Устный опрос |
Наблюдение за звездами, Луной и планетами в телескоп. | Устный опрос |
Вычисление энергии, освобождающейся при термоядерных реакциях. |
Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.
Вычисление сил, действующих на проводник с током в магнитном поле.
Изложение сути экологических проблем, связанных с электромагнитными колебаниями и волнами.
Объяснение законов Столетова на основе квантовых представлений.
Дифракция — основы, приложения — апертура, свет, узор и волны
5 минут чтения
Основы, Приложения
Дифракция — это отклонение от прямого пути, возникающее, когда волна, такая как свет или звук, проходит вокруг препятствия или через отверстие. Важность дифракции в любой конкретной ситуации зависит от относительного размера препятствия или отверстия и длины волны, падающей на него. 9Дифракционная решетка 0008 является важным устройством, использующим дифракцию света для получения спектров. Дифракция также имеет фундаментальное значение в других приложениях, таких как рентгеноструктурное исследование кристаллов и голография.
Все волны подвержены дифракции, когда они встречают препятствие на своем пути. Рассмотрим тень флагштока, отбрасываемую Солнцем на землю.
С расстояния затемненная зона тени создает впечатление, что свет, идущий по прямой от Солнца, блокируется полюсом. Но внимательное наблюдение за краем тени покажет, что переход от темного к светлому не резкий. Вместо этого вдоль края есть серая область, созданная светом, который был «изогнут» или преломлен на стороне полюса.
Когда источник волн, например электрическая лампочка, направляет луч через отверстие или апертуру, на экране, расположенном за апертурой, появляется дифракционная картина. Дифракционная картина будет выглядеть примерно как апертура (щель, круг , квадрат ), но она будет окружена некоторыми дифрагированными волнами, которые придают ей «нечеткий» вид.
Если и источник, и экран находятся далеко от апертуры, степень «размытости» определяется длиной волны источника и размером апертуры. При большой апертуре большая часть луча будет проходить прямо, только края апертуры вызывают дифракцию, и будет меньше «размытости». Но если размер апертуры сравним с длиной волны, дифракционная картина будет расширяться.
Например, открытое окно может вызвать звуковые волны должны дифрагировать под большими углами.
Дифракция Френеля относится к случаю, когда либо источник, либо экран находятся близко к апертуре. Когда и источник, и экран находятся далеко от апертуры, используется термин дифракция Фраунгофера. В качестве примера последнего рассмотрим звездный свет, попадающий в телескоп . Дифракционная картина круглого зеркала телескопа или линзы известна как диск Эйри, который виден как яркий центральный диск в середине ряда более тусклых колец. Это указывает на то, что образ 9Звезда 0008 всегда будет расширяться за счет дифракции. Когда оптические инструменты, такие как телескопы, не имеют дефектов, говорят, что наибольшая деталь, которую они могут наблюдать, ограничена дифракцией.
Дифракционные решетки
Преимущество дифракции света было искусно использовано для создания одного из самых важных инструментов науки — дифракционной решетки.
Вместо одной апертуры в материале выгравировано большое количество тонких щелей или канавок — до 25 000 на дюйм. При изготовлении этих чувствительных устройств важно, чтобы канавки были параллельны , расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и имеют одинаковую ширину.
Дифракционная решетка преобразует падающий пучок света в спектр . Это происходит потому, что каждая канавка решетки дифрагирует луч, но поскольку все канавки параллельны, расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и имеют одинаковую ширину, дифрагированные волны конструктивно смешиваются или интерферируют, так что различные компоненты можно рассматривать отдельно. Спектры, создаваемые дифракционными решетками, чрезвычайно полезны в приложениях для изучения структуры атомов и молекул для исследования состава звезд.
Дифракция рентгеновских лучей Рентгеновские лучи — это световые волны с очень короткой длиной волны. Когда они облучают твердый кристалл материал, они дифрагируют на атомах в кристалле.
Но поскольку для кристаллов характерно состоять из атомов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, можно использовать полученные дифракционные картины для определения местоположений и расстояний между атомами. Простые кристаллы, состоящие из равноотстоящих друг от друга плоскостей атомов, преломляют рентгеновские лучи в соответствии с законом Брэгга. Текущие исследования с использованием дифракции рентгеновских лучей используют инструмент, называемый дифрактометром, для получения дифракционных картин, которые можно сравнить с картинами известных кристаллов для определения структуры новых материалов.
Голография
Когда два лазерных луча смешиваются под углом на поверхности фотопластинки или другого записывающего материала, они создают интерференционную картину чередующихся темных и ярких линий. Поскольку линии идеально параллельны, расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и имеют одинаковую ширину, этот процесс используется для изготовления голографических дифракционных решеток высокого качества.
На самом деле любая голограмма ( голограмм —целая: грамм — сообщение) можно рассматривать как сложную дифракционную решетку. Запись голограммы включает смешивание лазерного луча и несфокусированной дифракционной картины какого-либо объекта. Чтобы реконструировать изображение объекта (голография также известна как реконструкция волнового фронта), освещающий луч дифрагирует на плоских поверхностей внутри голограммы, следуя закону Брэгга, так что наблюдатель может видеть изображение со всеми его тремя- габаритная деталь.
См. также Голограмма и голография; Волновое движение.
John Appel
Дополнительные темы
- Дифракционная решетка
- Дифракция – Основы
- Другие бесплатные энциклопедии
Научная энциклопедия Наука и философия: Зависимость — интеллектуальные корни зависимого мышления – Уравнение Дирака
Дифракция | Encyclopedia.com
ПОНЯТИЕ
Дифракция — это изгиб волн вокруг препятствий или распространение волн при прохождении их через отверстие или отверстие.
Любой тип энергии, распространяющейся волной, способен к дифракции, а дифракция звуковых и световых волн приводит к ряду эффектов. (Поскольку звуковые волны намного больше световых, дифракция звука является частью повседневной жизни, которую большинство людей считают само собой разумеющейся.) Дифракция световых волн, с другой стороны, намного сложнее и имеет ряд особенностей. применения в науке и технике, включая использование дифракционных решеток при производстве голограмм.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Сравнение дифракции звука и света
Представьте, что вы идете в концертный зал, чтобы послушать оркестр, и, к своему огорчению, обнаруживаете, что ваше место находится прямо за широким столбом. Группу, конечно, не видно, потому что световые волны со сцены блокируются. Но у вас не будет проблем с прослушиванием музыки, поскольку звуковые волны просто рассеиваются вокруг столба. Световые волны в такой ситуации немного преломляются, но недостаточно, чтобы повлиять на ваше удовольствие от концерта: если вы внимательно присмотритесь, сидя за столбом, вы сможете наблюдать дифракцию световых волн, слегка светящихся.
как они расширились вокруг столба.
Предположим теперь, что вы не смогли достать билет, но друг, который работал на концертной площадке, разрешил вам стоять перед открытой дверью и слушать группу. Качество звука, конечно, будет далеко от идеального, но вы все равно сможете слышать музыку достаточно хорошо. А если бы вы встали прямо перед дверным проемом, то смогли бы увидеть свет изнутри концертного зала. Но если отойти от двери и встать спиной к зданию, то света будет мало, а звук все равно будет хорошо слышен.
ДЛИНА ВОЛНЫ И ДИФРАКЦИЯ.
Причина различия — то есть, почему дифракция звука более выражена, чем дифракция света — заключается в том, что звуковые волны намного, намного больше, чем световые волны. Звук распространяется продольными волнами или волнами, в которых движение вибрации происходит в том же направлении, что и сама волна. Продольные волны расходятся наружу концентрическими кругами, похожими на кольца мишени.
Волны, по которым передается звук, больше или сравнимы по размеру с колонной или дверью, что является примером проема, и, следовательно, они легко проходят через проемы и вокруг препятствий.
Световые волны, с другой стороны, имеют длину волны, обычно измеряемую в нанометрах (нм), что равно одной миллионной доле миллиметра. Длины волн видимого света варьируются от 400 (фиолетовый) до 700 нм (красный): следовательно, на головке булавки можно разместить около 5000 даже самых длинных длин волн видимого света!
В то время как разные длины световых волн проявляются в виде разных цветов, изменение длины волны звука указывает на изменение высоты тона. Чем выше тон, тем больше частота и, следовательно, короче длина волны. Как и со световыми волнами, хотя, конечно, в гораздо меньшей степени. степень – коротковолновые звуковые волны менее способны дифрагировать вокруг крупных объектов, чем длинноволновые звуковые волны. Скорее всего, наиболее легко слышимые звуки внутри концертного зала — это бас и барабаны; более высокие ноты гитары или других инструментов, таких как орган Hammond, вряд ли дойдут до слушателя снаружи.
Наблюдение за дифракцией света
Из-за гораздо более широкого круга областей, в которых ученые применяли дифракцию света, дифракция света, а не звука, будет основной темой оставшейся части этого эссе.
Мы уже видели, что длина волны играет роль в дифракции; то же самое относится и к размеру апертуры по отношению к длине волны. Поэтому в большинстве исследований дифракции света используются очень маленькие отверстия, как, например, в обсуждаемой ниже дифракционной решетке.
Но свет преломляется не только при прохождении через отверстие, такое как дверь концертного зала на предыдущей иллюстрации; он также дифрагирует вокруг препятствий, таких как, например, столб или колонна, упомянутые ранее. Это можно наблюдать, внимательно присмотревшись к тени от флагштока ясным утром. Сначала кажется, что тень «сплошная», но если приглядеться, становится ясно, что по краям есть размытие. от тьмы к свету. Эта «серая зона» является примером дифракции света.
Там, где отверстие или препятствие велико по сравнению с волной, проходящей через него или вокруг него, на краю появляется лишь небольшая «размытость», как в случае с флагштоком. Когда свет проходит через апертуру, большая часть луча проходит прямо, без искажений, и только края претерпевают дифракцию.
Если же размер апертуры близок к длине волны, дифракционная картина будет расширяться. Звуковые волны дифрагируют под большими углами через открытую дверь, которая, как уже отмечалось, по размерам сравнима со звуковой волной; точно так же, когда свет проходит через очень узкие отверстия, его дифракция более заметна.
Ранние исследования дифракции
Хотя его величайший вклад заключался в эпохальных исследованиях гравитации и движения, сэр Исаак Ньютон (1642–1727) также изучал производство и распространение света. Используя призму, он разделил цвета спектра видимого света — то, что уже сделали другие ученые, — но именно Ньютон понял, что цвета спектра можно рекомбинировать, чтобы снова образовать белый свет.
Ньютон также оказался втянутым в дискуссию о природе самого света — дискуссию, в которой важную роль сыграли исследования дифракции. Точка зрения Ньютона, известная в то время как корпускулярная теория света, заключалась в том, что свет распространяется как поток частиц.
Однако его современник, голландский физик и астроном Христиан Гюйгенс (1629 г.-1695), выдвинул волновую теорию, или идею о том, что свет распространяется с помощью волн. Гюйгенс утверждал, что ряд факторов, в том числе явления отражения и преломления, указывают на то, что свет представляет собой волну. Ньютон, с другой стороны, бросил вызов волновым теоретикам, заявив, что если свет на самом деле является волной, он должен иметь возможность огибать углы, другими словами, дифрагировать.
ГРИМАЛЬДИ ОПРЕДЕЛЯЕТ ДИФРАКЦИЮ.
Хотя он стал широко известен только некоторое время спустя, в 1648 году — более чем за десять лет до того, как разразился спор о корпускулярных волнах — Иоганнес Маркус фон Кронланд (1595-1667), ученый из Богемии (ныне часть Чехии), открыл дифракцию световых волн. Однако его выводы были признаны только некоторое время спустя; не дал он и названия явлению, которое наблюдал. Затем, в 1660 году, итальянский физик Франческо Гримальди (1618-1663) провел
эксперимент с дифракцией, который привлек всеобщее внимание.
Гримальди позволил лучу света пройти через два узких отверстия, одно за другим, а затем на чистую поверхность. Когда он это сделал, он заметил, что полоса света, падающего на поверхность, была немного шире, чем должна быть, исходя из ширины луча, вошедшего в первое отверстие. Он пришел к выводу, что луч был слегка изогнут наружу, и дал этому явлению название, под которым оно известно сегодня: дифракция.
ДИФРАКЦИЯ ФРЕНЕЛЯ И ФРАУНГОФЕРА.
Теория частиц продолжала иметь своих приверженцев в Англии, на родине Ньютона, но ко времени французского физика Огюстена Жана Френеля (1788-1827) все большее число ученых на европейском континенте пришли к принятию волновой теории. Работа Френеля, опубликованная им в 1818 г., послужила развитию этой теории и, в частности, представлению о свете как о поперечной волне.
In Memoire sur la diffraction de la lumiere, Френель показал, что модель поперечной волны объясняет ряд явлений, включая дифракцию, отражение, преломление, интерференцию и поляризацию, или изменение характера колебаний световой волны.
Через четыре года после публикации этой важной работы Френель претворил свои идеи в жизнь, используя поперечную модель для создания карандашного пучка света, который идеально подходил для маяков. Эта призменная система, при которой весь свет, излучаемый источником, преломляется в горизонтальный луч, заменила старый метод зеркал, использовавшийся с древних времен. Таким образом, работа Френеля произвела революцию в эффективности маяков и помогла спасти жизни бесчисленному количеству моряков в море.
Термин «дифракция Френеля» относится к ситуации, когда источник света или экран находятся близко к апертуре; но бывают ситуации, когда источник, апертура и экран (или по крайней мере два из трех) сильно разнесены. Это известно как дифракция Фраунгофера в честь немецкого физика Йозефа фон Фраунгофера (1787-1826), который в 1814 году открыл линии солнечного спектра (источник) с помощью призмы (апертуры). Его работа оказала огромное влияние на область спектроскопии или исследования взаимодействия между электромагнитным излучением и веществом.
ПРИМЕНЕНИЕ В РЕАЛЬНОЙ ЖИЗНИ
Дифракционные исследования достигают совершеннолетия
В конце концов работы шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879), немецкого физика Генриха Рудольфа Герца (1857-1894) и других подтвердили, что свет действительно распространяется в волны. Однако позже Альберт Эйнштейн (1879–1955) показал, что свет ведет себя и как волна, и при определенных обстоятельствах как частица.
В 1912 году, через несколько лет после того, как Эйнштейн опубликовал свои открытия, немецкий физик Макс Теодор Феликс фон Лауэ (1879 г.-1960) создал дифракционную решетку, обсуждаемую ниже. Используя кристаллы в своей решетке, он доказал, что рентгеновские лучи являются частью электромагнитного спектра. Работа Лауэ, принесшая ему Нобелевскую премию по физике в 1914 г., также позволила измерить длину рентгеновских лучей и, в конечном счете, предоставила средства для изучения атомной структуры кристаллов и полимеров.
НАУЧНЫЕ ПРОРЫВЫ СТАЛИ ВОЗМОЖНЫ БЛАГОДАРЯ ДИФРАКЦИОННЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ.
Исследования в области дифракции продвинулись вперед в начале двадцатого века. В 1926 января английский физик Дж. Д. Бернал (1901–1971) разработал диаграмму Бернала, позволяющую ученым делать выводы о кристаллической структуре твердого тела путем анализа фотографий рентгеновских дифракционных картин. Десять лет спустя голландско-американский физико-химик Питер Джозеф Уильям Дебай (1884–1966) получил Нобелевскую премию по химии за исследования в области дифракции рентгеновских лучей и электронов в газах, которые продвинули понимание молекулярной структуры. В 1937 году, через год после Нобелевской премии Дебая, двое других ученых — американский физик Клинтон Джозеф Дэвиссон (1881–1819 гг.58) и английский физик Джордж Пэджет Томсон (1892–1975) — получили премию по физике за открытие того, что кристаллы могут вызывать дифракцию электронов.
Кроме того, в 1937 году английский физик Уильям Томас Эстбери (1898–1961) использовал рентгеновскую дифракцию для получения первой информации о нуклеиновых кислотах, что привело к успехам в изучении ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), строительных блоков генетика человека.
В 1952 году английский биофизик Морис Хью Фредерик Уилкинс (1916-) и молекулярный биолог Розалинда Элси Франклин (1920-1958) использовал рентгеновскую дифракцию для фотографирования ДНК. Их деятельность напрямую повлияла
прорывное событие, которое последовало год спустя: открытие модели двойной спирали ДНК американскими молекулярными биологами Джеймсом Д. Уотсоном (1928 г.) и Фрэнсисом Криком (1916 г.). Сегодня исследования ДНК находятся на переднем крае исследований в биологии и смежных областях.
Дифракционная решетка
Большая часть работ, описанных в предыдущих абзацах, использовала дифракционную решетку, впервые разработанную в 1870-х годах американским физиком Генри Августом Роулендом (1848-1919 гг.).01). Дифракционная решетка – это оптическое устройство, состоящее не из одной, а из многих тысяч апертур: в машине Роуленда использовалась тонкая алмазная точка для линейки стеклянных решеток с примерно 15 000 линий на дюйм (2,2 см). Современные дифракционные решетки могут иметь до 100 000 апертур на дюйм.
Отверстия в дифракционной решетке представляют собой не просто отверстия, а чрезвычайно узкие параллельные щели, преобразующие пучок света в спектр.
Каждое из этих отверстий преломляет световой пучок, но поскольку они расположены равномерно и одинаково по ширине, дифрагированные волны испытывают конструктивную интерференцию. (Последнее явление, описывающее ситуацию, в которой две или более волны объединяются, образуя волну большей амплитуды, чем любая из них, обсуждается в эссе об интерференции.) Эта конструктивная интерференционная картина позволяет рассматривать компоненты спектра по отдельности. что позволяет ученым наблюдать за характеристиками, начиная от структуры атомов и молекул и заканчивая химическим составом звезд.
РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКЦИЯ.
Поскольку рентгеновские лучи имеют гораздо более высокую частоту и уровень энергии, их длина волны даже короче, чем у волн видимого света. Следовательно, для дифракции рентгеновских лучей необходимо иметь решетки, в которых линии разделены бесконечно малыми расстояниями.
Эти расстояния обычно измеряются в единицах, называемых ангстремами, которых 10 миллионов на миллиметр. Ангстремы используются для измерения атомов, и действительно, промежутки между линиями в рентгеновской дифракционной решетке сравнимы с размерами атомов.
Когда рентгеновские лучи облучают кристалл — другими словами, когда кристалл поглощает излучение в виде рентгеновских лучей — атомы в кристалле преломляют лучи. Одной из характеристик кристалла является то, что его атомы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, и благодаря этому можно обнаружить местоположение и расстояние между атомами, изучая рентгенограммы. Закон Брэгга, названный в честь группы отца и сына английских физиков Уильяма Генри Брэгга (1862–1942) и Уильяма Лоуренса Брэгга (1890–1971), описывает картины дифракции рентгеновских лучей в кристаллах.
Хотя многие аспекты дифракции рентгеновских лучей и кристаллографии кажутся довольно абстрактными, их применение в таких областях, как исследования ДНК, указывает на то, что они имеют множество применений для улучшения человеческой жизни.
Старший Брэгг выразил этот факт в 1915 году, когда он и его сын получили Нобелевскую премию по физике, сказав: «Сейчас мы можем заглянуть в десять тысяч раз глубже в структуру материи, из которой состоит наша Вселенная, чем когда мы полагаться только на микроскоп». Сегодня физики, применяющие дифракцию рентгеновских лучей, используют инструмент, называемый дифрактометром, который помогает им сравнивать дифракционные картины с картинами известных кристаллов в качестве средства определения структуры новых материалов.
Голограммы
Голограмма — слово, происходящее от греческого holos, «целое» и грамм, «сообщение» — это трехмерное (3-D) изображение объекта и метод создание этих изображений известно как голография. В голограммах используются лазерные лучи, которые смешиваются под углом, создавая интерференционную картину из чередующихся ярких и темных линий. Сама поверхность голограммы представляет собой своего рода дифракционную решетку с чередующимися полосами прозрачного и непрозрачного материала.
Смешивая лазерный луч и несфокусированную дифракционную картину объекта, можно записать изображение. Освещающий лазерный луч преломляется под определенными углами в соответствии с законом Брэгга на поверхностях голограммы, позволяя наблюдателю увидеть трехмерное изображение.
Голограммы не следует путать с обычными трехмерными изображениями, использующими только видимый свет. Последние производятся с помощью метода, известного как стереоскопия, который создает одно изображение из двух, накладывая изображения друг на друга, чтобы создать впечатление картины с глубиной. Хотя стереоскопические изображения создают впечатление, что можно «вступить» в изображение, голограмма на самом деле позволяет зрителю взглянуть на изображение под любым углом. Таким образом, стереоскопические изображения можно сравнить с просмотром через зеркальное стекло витрины магазина, тогда как голограммы передать ощущение, что человек действительно шагнул в саму витрину магазина.
РАЗРАБОТКИ В ГОЛОГРАФИИ.
Пытаясь улучшить разрешение электронных микроскопов, в 1947 году венгерско-английский физик и инженер Деннис Габор (1900–1979) разработал концепцию голографии и ввел термин «голограмма». Однако его работа в этой области не могла значительно продвинуться вперед до создания лазера в 1960 году. К началу 1960-х годов ученые использовали лазеры для создания трехмерных изображений, а в 1971 году Габор получил Нобелевскую премию в области физики за открытие, которое он сделал за поколение до этого.
Сегодня голограммы используются на кредитных картах или других идентификационных картах в качестве меры безопасности, обеспечивая изображение, которое может быть считано оптическим сканером. В кассовых сканерах супермаркетов используются голографические оптические элементы (HOE), которые могут считывать универсальный код продукта (UPC) под любым углом. Использование голограмм в повседневной жизни и научных исследованиях, вероятно, возрастет, поскольку ученые обнаруживают, что
новые приложения: например, голографические изображения помогут в проектировании всего, от мостов до автомобилей.
ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ.
Одним из самых увлекательных направлений исследований в области голографии является голографическая память. Компьютеры используют двоичный код, комбинацию единиц и нулей, которая преобразуется в электронный импульс, но голографическая память значительно расширит возможности компьютерных систем памяти. В отличие от большинства изображений голограмма — это не просто сумма составляющих ее частей: данные в голографическом изображении содержатся в каждой части изображения, а это означает, что часть изображения может быть уничтожена без потери данных.
Чтобы завершить историю, голографическая память напоминает об идее, выдвинутой ученым, который, наряду с Гюйгенсом, был одним из главных профессиональных соперников Ньютона, немецким математиком и философом Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646-1716). Хотя Ньютона обычно считают отцом исчисления, Лейбниц разработал свою собственную версию исчисления примерно в то же время.
Как философ Лейбниц, по-видимому, имел ряд странных идей, которые сделали его предметом насмешек в некоторых слоях европейского интеллектуального общества: отсюда французский писатель и мыслитель Вольтер (Франсуа-Мари Аруэ; 1694-1778) высмеял его персонажем доктором Панглоссом в Candide (1759).
Немногие из идей Лейбница были более причудливыми, чем идея монады: элементарной частицы существования, отражающей всю вселенную.
Выдвигая концепцию монады, Лейбниц не делал утверждения в манере ученого: не было никаких доказательств существования монад и невозможно было доказать это каким-либо научным путем. Тем не менее, голограмма очень похожа на проявление воображаемых Лейбницем монад, и и голограмма, и монада связаны с более фундаментальным аспектом жизни: человеческой памятью. Неврологические исследования в конце двадцатого века показали, что структура памяти в человеческом уме является голографической. Так, например, у пациента с травмой 90% мозга испытывает только 10% потерю памяти.
ГДЕ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ
Барретт, Норман С. Лазеры и голограммы. Нью-Йорк: Ф. Уоттс, 1985.
«Закон Брэгга и дифракция: как волны раскрывают атомную структуру кристаллов» (веб-сайт). 
).
Беркиг, Валери. Фотоника: новая наука о свете. Хиллсайд, Нью-Джерси: Enslow Publishers, 1986.
«Дифракция звука» (веб-сайт).
Гарднер, Роберт. Эксперименты со светом. Нью-Йорк: Ф. Уоттс, 1991.
Грэм, Ян. Лазеры и голограммы. New York: Shooting Star Press, 1993.
Holoworld: Holography, Lasers, and Holograms (веб-сайт).
Проффен, Т. Х. и Р. Б. Недер. Интерактивное руководство по дифракции (веб-сайт).
Снедден, Роберт. Свет и звук. Дес-Плейнс, Иллинойс: Библиотека Хайнемана, 1999.
«Волнообразное поведение света». Класс физики (веб-сайт).
КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
ПРОЕМ:
Проем.
ДИФРАКЦИЯ:
Изгиб волн вокруг препятствий или распространение волн при их прохождении через отверстие.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПЕКТР:
Полный диапазон электромагнитных волн с непрерывным распространением от очень низкого диапазона частот и уровней энергии, с соответственно большой длиной волны, до очень высокого диапазона частот и уровней энергии, с соответственно короткой длиной волны. В электромагнитный спектр входят длинноволновое и коротковолновое радио; микроволны; инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет; рентгеновские лучи и гамма-лучи.
ЧАСТОТА:
Количество волн, проходящих через данную точку за интервал в одну секунду. Чем выше частота, тем короче длина волны.
ПРОДОЛЬНАЯ ВОЛНА:
Волна, в которой движение вибрации происходит в том же направлении, что и сама волна. Звуковая волна является примером продольной волны.
ПРИЗМА:
Трехмерная форма стекла, используемая для рассеивания световых лучей.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ:
Действие или состояние путешествия из одного места в другое.
ИЗЛУЧЕНИЕ:
В общем смысле, радиация может относиться ко всему, что движется в потоке, независимо от того, состоит ли этот поток из субатомных частиц или электромагнитных волн.
ОТРАЖЕНИЕ:
Явление, при котором световой луч возвращается к своему источнику, а не поглощается на границе раздела.
ПРЕЛОМЛЕНИЕ:
Искривление луча света, возникающее при его прохождении через плотную среду, такую как вода или стекло.
СПЕКТР:
Непрерывное распределение свойств в упорядоченном порядке по непрерывному диапазону. Примеры спектров (множественное число от слова «спектр») включают цвета видимого света или электромагнитный спектр, частью которого является видимый свет.
ПОПЕРЕЧНАЯ ВОЛНА:
Волна, вибрация или движение которой перпендикулярны направлению движения волны.
ДЛИНА ВОЛНЫ:
Расстояние между гребнем и соседним гребнем или впадиной и соседней впадиной волны.
Чем короче длина волны, тем выше частота.
10 примеров дифракции в реальной жизни – StudiousGuy
Дифракция – это процесс, благодаря которому система волн распространяется, пройдя через узкие зазоры. В систему волн входят звуковые волны, световые волны, электромагнитные волны, волны воды и т. д. Дифракция, вообще говоря, представляет собой огибание волн вокруг небольшого отверстия. Процесс дифракции впервые наблюдал Франческо Мария Гримальди, итальянский математик и физик. Его работа была официально опубликована в 1665 году. Дифракция — довольно универсальный процесс, который можно наблюдать во многих повседневных практиках.
Например, ниже приведены некоторые примеры дифракции из реальной жизни:
Указатель статей (щелкните, чтобы перейти)
1. Компакт-диск Компакт-диски наиболее подвержены процессу дифракции. Поверхность компакт-диска блестящая и состоит из множества канавок. Когда свет падает на верхнюю часть компакт-диска, часть его преломляется, а часть света отражается.
Вот почему мы видим на компакт-диске радужный узор.
Голограмма, слово происходит от двух греческих слов: «холо» означает «целое», а «грамм» означает сообщение. Это одна прекрасная технология, которая обещает нам невероятное будущее. Голограмма в основном использует дифракцию для создания трехмерного впечатления от изображения. Различные версии изображения преломляются и достигают объектива с разных сторон, образуя интерференционную картину. Затем этот рисунок ложится на голографическую пластину. Наконец, предоставив нам трехмерный опыт.
3. Свет, проникающий в темную комнату Предположим, есть комната без источника света, плюс свет от двери в комнату не проникает, так как она закрыта, и когда кто-то приоткрывает дверь , можно заметить, что свет льется внутрь с изгибом по краям и по углам двери. Дверь действует как препятствие на пути света, поэтому свет искривляется. Это искривление, несомненно, известно как дифракция.
Вы, должно быть, видели этот захватывающий вид хотя бы раз в жизни. Эти великолепно выглядящие лучи известны как сумеречные лучи или лучи Бога. Когда световые лучи от солнца пытаются достичь земли, но блокируются облаками, световые волны преломляются и отклоняются. Это отклонение света из-за наличия барьера на его нормальном пути есть не что иное, как дифракция. В следующий раз, когда вы увидите такой потрясающий вид, вы можете поделиться причиной этого.
5. Дифракция рентгеновских лучей При дифракции рентгеновских лучей образец хранится в приборе и освещается рентгеновскими лучами. Рентгеновская трубка и детектор движутся синхронно, регистрируется и исследуется наблюдаемый сигнал. Это явление наиболее широко используется при определении расстояния между двумя последовательными атомами элемента. Процесс дифракции рентгеновских лучей очень важен в метеорологической, фармацевтической, химической и других смежных отраслях, поскольку всякий раз, когда исследователи сталкиваются с некоторыми неопознанными элементами, им необходимо настроить детали их структуры, начиная с выравнивания, расстояния и другие характеристики его атомов.
Текущая вода реки, когда сталкивается с небольшой щелью, имеет тенденцию нарушать ее нормальное течение. Водяные волны претерпевают изгибы на другой стороне щели. Этот изгиб является еще одним примером дифракции.
7. Солнечная/лунная коронаВ метеорологических терминах термин корона описывает световое кольцо вокруг Солнца или Луны, которое образуется, когда солнечный или лунный свет преломляется небольшими парами воды или кристаллами льда. Ореол Луны известен как лунная корона, а гало Солнца известен как солнечная корона.
8. Звук Если кто-то громко зовет вас по имени, вы можете это услышать. Если они спрячутся за высоким деревом и будут так же интенсивно звать вас по имени, сможете ли вы это услышать? Ответ — да, но почему звук не блокируется, даже если на его пути находится огромное дерево? Причина в том, что звук путешествует и достигает вашего уха в процессе дифракции.
Прямо сейчас посмотрите на любой источник света вокруг вас, вы можете заметить, что свет не передается напрямую в прямом направлении, небольшая часть световой энергии дифрагирует вокруг источника. Эта дифракция света происходит из-за присутствия поблизости пыли и газообразных частиц.
10. Распространение сигналаПроцесс дифракции широко используется при распространении радиосигнала на большие расстояния. Из-за искривленной поверхности земли и имеющихся на ней огромных препятствий распространение прямой видимости на большие расстояния невозможно. Вот почему мы используем многоуровневую дифракцию, чтобы сигнал достиг места назначения. Сигнал продолжает ударять о препятствия, одновременно усиливаясь с помощью усилителей снова и снова, пока не достигнет пункта назначения. Дифракция отвечает за телефонные звонки, которые вы можете принять.
Wave diffraction using finite and infinite elements
ScienceDirectRegisterSign in
View PDF
- Access through your institution
Volume 41, Issue 2, December 1983, Pages 219 -235
https://doi.
org/10.1016/0045-7825(83)
-5Получить права и контент
Автор разработал экспериментальную технику и конфигурацию для моделирования и измерения (с использованием фотограмметрических методов ближнего действия) высоты волн, дифрагирующих в модельный бассейн бесконечной протяженности. Программа конечных и бесконечных элементов «WAVE», разработанная на факультете гражданского строительства Университетского колледжа Уэльса, Суонси, была модифицирована для работы на UNIVAC1100 в U.C.T. Программа используется для математического моделирования тестируемой экспериментальной конфигурации. Результаты дифракции методом конечных элементов сравниваются с: (i) экспериментальными результатами; (ii) классическая теория дифракции волн.
Делается вывод о наличии хорошей корреляции между конечным элементом и экспериментальными результатами и о том, что различия обусловлены экспериментальными явлениями второго порядка.
Ссылки (26)
- WG Penney et al.
Дифракционная теория морских волн и укрытие волнорезами
Philos.
Транс. Рой. соц. Лондон(1951–1952)
- А. Зоммерфельд
Уравнения в частных производных в физике
(1949)
- вечера Морзе и др.
Дифракция волн на лентах и щелях
Физ. Ред.
(1938)
- J.H. Карр и др.
Дифракция волн на воде от волноломов
- J.W. Johnson
Обобщенные диаграммы дифракции волн
- J.W. Johnson
Технические аспекты дифракции и преломления
Trans. ASCE
(1953)
- Ф.Л. Синий и др.
Дифракция волн на воде, проходящих через щель волнолома
Пер. амер. Геоф. ООН.
(1949)
- Дж.А. Патнэм и др.
Дифракция волн на воде от волноломов
Пер. амер. Геоф. ООН.
(1948)
- В.В. Хармс
Дифракция водяных волн на цилиндрических конструкциях произвольной формы
Сильверстер и др. Применение данных волновой дифракции
Изучения формы волны модельной гавани по фотограмметрии на коротких расстояниях
Фотограмметрическая запись
(1981)
Photogrammetric Высота волн. (1982)
Решение двумерных задач о распространении волн на воде методом Чебышева
1989, Математическое и компьютерное моделирование
В середине семидесятых годов было предложено двумерное эллиптическое редуцированное волновое уравнение для исследования распространения водяных волн в прибрежных инженерных приложениях. Однако решить это неразрывное сложное уравнение чрезвычайно сложно, за исключением очень малых морских акваторий. Для более крупных областей используются методы приближенных уравнений, такие как «метод параболического уравнения». Эти методы не подходят, если обратное рассеяние или отражения волн (по батиметрии или структурам) значительны.
Чтобы избежать вычислительных трудностей, типичных для уравнения эллиптических волн, решение связанных гиперболических уравнений Эйлера было предложено несколькими авторами, которые использовали конечные разности. Конечно-разностная схема требует большого количества точек сетки (в некоторых случаях более 20 точек на длину волны) для получения удовлетворительных результатов. Здесь рассматривается альтернативное решение с использованием чебышёвской коллокации. Метод спектральной коллокации Чебышева дает большую точность, чем метод конечных разностей, с гораздо меньшим количеством узлов сетки. Рассмотрена возможность применения метода к задачам о дифракции и отражении волн (в районе волноломов) и преломлении-дифракции волн (путем батиметрии). Сравнение результатов модели с данными гидравлической модели показывает, что метод Чебышева является эффективным инструментом для моделирования распространения двумерных волн. В отличие от методов приближенных уравнений, он не ограничивается ситуациями незначительного обратного рассеяния или параксиальности.
Кроме того, он требует сравнительно небольшого объема памяти компьютера, что позволяет применять его на больших морских территориях.Комбинированное преломление-дифракция волн на воде на острове
1987, International Journal of Engineering Science
параболической отмели, исследуется как экспериментально, так и численно. Экспериментальное исследование проводилось с использованием фотограмметрической установки для измерения высоты волны в лаборатории гидравлики факультета гражданского строительства Кейптаунского университета. Численное исследование проводилось с использованием программы конечных и бесконечных элементов «WAVE», разработанной на кафедре гражданского строительства Университетского колледжа Суонси, Уэльс. Программа была установлена на CDC CYBER 750 CSIR и использовалась для математического моделирования тестируемой экспериментальной конфигурации острова. Корреляция между экспериментальными и конечными результатами является справедливой, различия частично связаны с упрощающими предположениями, заложенными в численной модели, и экспериментальными проблемами, связанными с моделированием конфигурации острова в волновом бассейне.
Дифракция волн в асимметричном промежутке волнолома с использованием конечных и бесконечных элементов
1985, Береговая инженерия
Автором была разработана экспериментальная методика и конфигурация для моделирования и измерения (с использованием методов фотограмметрии ближнего действия) высоты дифрагирующих волн. в модельный бассейн бесконечной протяженности. Программа конечных и бесконечных элементов «WAVE», разработанная на факультете гражданского строительства Университетского колледжа Суонси, Уэльс, была модифицирована для работы на UNIVAC 1100 в Кейптаунском университете. Программа используется для математического моделирования тестируемой экспериментальной конфигурации. Две конфигурации, а именно симметричная и асимметричная конфигурация зазора волнолома, анализируются как экспериментально, так и численно. Сделан вывод о хорошей корреляции между конечными элементами и экспериментальными результатами и о том, что программа «WAVE» является очень полезным инструментом для прогнозирования высоты волн в крупных портовых бассейнах.
Бесконечные элементы для динамических задач: Часть 2
1991, Инженерные вычисления
Волновая волна.
Исследовательская статья
Управление вибрацией свайных конструкций посредством взаимодействия конструкция-грунт-конструкция
Динамика грунта и сейсмостойкость, Том 77, 2015, стр. 47-57
В этом документе рассматривается контроль вибрации существующих конструкций, вызванных движением грунта, вызванным землетрясением. С этой целью впервые предлагается использовать механизм конструкция-грунт-конструкция для разработки устройства, размещенного в грунте, но отделенного от конструкции, способного поглощать часть сейсмической энергии, чтобы уменьшить вибрацию соседних конструкций. . Конструкция устройства предназначена для защиты монолитных конструкций от колебаний грунта, вызванных землетрясением. Путем моделирования движения грунта как квазистационарного стохастического процесса Гаусса, совместимого со спектром отклика с нулевым средним, грунта как вязкоупругой среды и целевой монолитной конструкции как конструкции с линейным поведением устройство, называемое здесь Вибрационный барьер (ViBa), был разработан с помощью процедуры оптимизации.
Получены различные численные и экспериментальные результаты, демонстрирующие эффективность ViBa. Примечательно, что было достигнуто значительное снижение реакции конструкции до 44%.Научная статья
Численное моделирование и оптимизация крылатого волнолома коробчатого типа с помощью Smoothed Particle Hydrodynamics
Ocean Engineering, Volume 188, 2019, Article 106246
Плавучие волнорезы отличаются от неподвижных и подходят для глубоководных морская ситуация. За последние несколько лет плавучие волнорезы коробчатого типа были тщательно изучены и усовершенствованы путем экспериментального и численного анализа. В этой статье предлагается новый плавучий волнорез коробчатого типа, а гидродинамика сглаженных частиц применяется для моделирования нелинейных взаимодействий между волнами и плавучими волнорезами коробчатого типа. Изучены характеристики бескрылых и крылатых. Движения предлагаемых плавучих волноломов также изучаются, чтобы понять влияние выступающих плит.
Исследованы поля скоростей окружающей воды, чтобы выявить механизм диссипации волновой энергии. И последнее, но не менее важное: определяются лучшие места для добавления выступающих пластин.Исследовательская статья
Объединение TMD и TLCD: аналитические и экспериментальные исследования
Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volume 167, 2017, pp. эффективные и надежные устройства управления для смягчения реакции конструкции высоких и слабозатухающих зданий на сильные динамические воздействия, такие как ветер и землетрясение. В этом контексте регулируемые массовые демпферы (TMD) представляют собой, вероятно, наиболее распространенное устройство управления из-за их высоких характеристик управления. С другой стороны, регулируемые демпферы жидкостной колонны (TLCD) становятся все более популярными из-за некоторых их привлекательных особенностей, в том числе экономической эффективности, даже несмотря на то, что они обеспечивают несколько меньшую эффективность управления по сравнению с классическими TMD.
Стремясь объединить полезные эффекты TMD и привлекательные характеристики TLCD, в этой статье представлено новое устройство управления, которое реализовано на объединении этих двух систем. Выведены соответствующие уравнения движения и разработано аналитическое исследование для анализа характеристик управления этим устройством. Наконец, теоретические результаты подтверждаются обширной экспериментальной кампанией, проведенной в Лаборатории экспериментальной динамики Университета Палермо, Италия.Исследовательская статья
Оценка сейсмических характеристик однослойного сетчатого купола и анализ его хрупкости
Journal of Construction Steel Research, Volume 100, 2014, pp. механизма разрушения однослойного сетчатого купола под сейсмической нагрузкой, на куполе проводится параметрический анализ с помощью приращения динамического анализа (IDA). Результаты анализов показывают, что предельная нагрузка конструкции значительно увеличивается вместе с пластическим развитием с уменьшением отношения подъема к пролету, массы крыши и начальных дефектов до разрушения.
Развитие пластичности уменьшается, а конструкционная пластичность ухудшается по мере уменьшения площади поперечного сечения элемента конструкции. Разрушение однослойного сетчатого купола при сильной сейсмической нагрузке происходит из-за потери динамической прочности в результате чрезмерного повреждения материала. Определена модель структурного повреждения, которая может оценить различные степени повреждения купола. Затем кривые хрупкости различных значений модели повреждения конструкции с соответствующими различными степенями повреждения по сейсмическим записям получаются с помощью анализа IDA, который можно использовать для оценки сейсмических характеристик и оценки риска его потери или приемлемости со смертельным исходом. Таким образом, предоставляется теоретическое руководство по инженерному применению конструкции такого типа.Научная статья
Аналитическое исследование брэгговского резонанса однократно периодическими синусоидальными рябями на основе модифицированного уравнения мягкого наклона
Береговая техника, Том 150, 2019, стр.
121-134 рябь изучается аналитически на основе модифицированного уравнения пологого уклона (MMSE). Во-первых, каждая область ряби делится на четыре монотонных подинтервала, так что в каждом подинтервале имеется только одна регулярная особая точка MMSE, расположенная в одной из двух конечных точек. Во-вторых, в каждом подинтервале в силу монотонности неявная MMSE может трансформироваться в явную MMSE (EMMSE). В-третьих, на каждом подинтервале, благодаря единственной регулярной особенности, может быть построено общее решение в терминах рядов Фробениуса для EMMSE, а также проанализировано и графически показано условие сходимости решения ряда. Наконец, используя условия сохранения массы на каждой общей границе между любыми двумя соседними подынтервалами, устанавливается аналитическая формула коэффициента отражения. Настоящее решение проверяется на соответствие различным существующим решениям, в частности, оно идентично численному решению MMSE. Показано, что с увеличением числа рябей амплитуды пиков как основного, так и субгармонического брэгговских резонансов увеличиваются, а ширина резонансов уменьшается, а нулевое отражение возникает чаще. Когда число становится очень большим, пиковые амплитуды первичного и субгармонического брэгговских резонансов достигают единицы, а ширины резонансов приближаются к их предельным резонансным полосам. По мере увеличения высоты ряби амплитуды пиков как основного, так и субгармонического брэгговских резонансов и ширина полосы основного резонанса соответственно увеличиваются, а положения как основного, так и субгармонического брэгговских резонансов вниз смещаются в сторону низких частот более значительно, но число нулевого отражения остается прежним.Исследовательская статья
Простая дискретная модель взаимодействия соседних зданий во время землетрясений
Компьютеры и конструкции, том 124, 2013 г., стр. 1-10
Двумерное взаимодействие конструкции, грунта и конструкции, формулировка предлагается использование простых дискретных моделей конструкций и грунта, а также включение вращательной пружины в качестве ключевого механизма взаимодействия зданий.
Для этой вращательной взаимодействующей пружины предложен степенной закон обратного куба. Это соотношение получается путем приравнивания энергий из дискретной модели низкого порядка и модели конечных элементов высокого порядка. Используя упрощающие предположения, динамическую задачу удобно свести к осмысленному набору из четырех параметров. Тщательно исследуется влияние геометрических характеристик конструкций, расстояния между ними и типа грунта на динамические эффекты взаимодействия конструкция-грунт-конструкция.
Copyright © 1983 Опубликовано Elsevier B.V.
Явления оптической дифракции по краям фотодетекторов: упрощенный метод для метрологических приложений
Sci Rep. 2019; 9: 3397.
Опубликовано онлайн 2019 март. 4. DOI: 10.1038/S41598-019-40270-W
, , , и
Авторская информация Примечания Copyright и лицензия Deckplymer
. Заявление о доступности
В этой статье сообщается об оптическом методе одновременной генерации и обнаружения дифракции света вокруг краев фотодетекторов, а также о его применении для измерения вибрации. В методе используется инновационное освещение световым пучком, при котором лазерный луч падает на границу раздела между активной и непрозрачной областями фотодетектора. Дифракция и индуцированная интерференция возникают вместе в чувствительной области фотодетектора. Тот же фотодетектор реагирует на динамические изменения интенсивности, соответствующие интерференционной картине, вызванной дифракцией, и одновременно генерирует динамический электрический выходной сигнал. По сравнению с известными методами дифракции, использующими ребра, предлагаемый метод прост в реализации и расширяет область применения измерений. Полученные здесь экспериментальные результаты подтверждают эффективность предложенного метода, указывая на его пригодность для применения в практических условиях для нового класса датчиков.
Лазеры в основном используются в качестве диагностических инструментов или источников энергии в научных исследованиях. Управление профилем лазерного луча в пространстве и времени является важной исследовательской задачей в области оптических технологий. Когда лазерный луч используется для измерительных приложений, гораздо важнее пространственный профиль лазерного луча, демонстрирующий определенные схемы распределения и свойства распространения в пространстве и времени. Наиболее яркими примерами являются интерференционные и дифракционные картины, часто наблюдаемые каждый день в экспериментах со светом. В действительности разницы между интерференционной и дифракционной картиной нет. Дифракционная картина, видимая на любом экране наблюдения, на самом деле является еще одной интерференционной картиной. Однако эти два явления настолько различны и так адекватно объясняются во многих учебниках. Даниэль Малакара 1 в своей книге подробно описал эти явления, их различия, преимущества и недостатки и различные приборы, которые сделаны для физических измерений. Измерения смещения и вибрации представляют интерес для многих инженерных задач, использующих эти два явления.
Разработано несколько методов, использующих оптическую интерференцию для измерения перемещений и вибраций 2 . Многочисленные традиционные интерферометры 1 в настоящее время используются для миссий обычного человека от исследовательских лабораторий до летающих спутников. Эти оптические методы в сочетании с передовыми компьютерами, захватчиками кадров и алгоритмами обработки изображений делают их удобными для большинства промышленных применений. Среди классических интерферометрических методов 1 такие как интерферометрия муара 3 , 4 , голографическая интерферометрия 5 , 5 , 7 виброметр 6
0646 7 , спекл-интерферометрия 8 , 9 для мониторинга вибрации, интерферометр Майкельсона 10 является наиболее популярным прибором среди ученых и инженеров. Считается, что эти интерферометрические методы обладают высокой эффективностью и в целом хорошо подходят и надежны для метрологических приложений. Однако с их практическим использованием связаны серьезные недостатки, особенно когда рассматривается несколько точек измерения или установка должна выполняться на открытых пространствах. Действительно, сенсорные системы, использующие интерферометрию, являются громоздкими, поскольку они связаны с рядом оптических элементов, а их сложность существенно возрастает и предъявляет строгие механические требования, поскольку выравнивание имеет решающее значение. Поэтому они очень дорогие. Аналогично, в качестве альтернативы оптической интерферометрии было разработано несколько методов, использующих оптическую дифракцию 11 , 12 . Различные понятия используются для описания явления дифракции как интерференции 13 , 14 , но его использование, особенно для измерения вибрации, до сих пор не используется в полной мере. Несколько исследователей внесли свой вклад в изучение явления краевой дифракции. Разработанные теории были применены ко многим проблемам, представляющим научный и инженерный интерес 15 – 20 . Однако проблема краевой дифракции не получила значительной идентичности в метрологических приложениях, как ее аналог традиционной интерферометрии, в основном из-за ее геометрических ограничений. Сложность введения непрозрачного края на пути света является ключевым геометрическим ограничением с точки зрения системы. В этой статье представлен относительно простой и эффективный метод, в котором отсутствует необходимость во внешнем непрозрачном крае. В качестве внешнего непрозрачного края в предлагаемой методике рассматривается внешний край чувствительной области самого фотоприемника. Таким образом, одновременная генерация и регистрация оптической дифракционной картины реализуются с помощью одного фотодетектора. Этот упрощенный метод достаточно оптически стабилен и может расширить область применения оптической дифракции до нового уровня. Продемонстрировано эффективное использование предложенного метода на оптическом микрофоне, а полученные результаты проверены на стандартном микрофоне.
Понятие краевой дифракции
Оптическая дифракция очень часто относится к огибанию световых волн вокруг препятствия. На рисунке схематично показана концепция создания оптической дифракционной картины из монохроматического света. Световая волна частично блокируется непрозрачным объектом, прежде чем попасть на экран, как показано на рис. Согласно сложившимся геометрическим теориям оптики, острая кромка непрозрачного предмета отбрасывает тень, имеющую достаточно резкий контур той же формы, что и непрозрачный предмет в точке Р. Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что край этой тени не является абсолютно резким, но показывает систему темных и светлых полос в непосредственной близости от края в точке P. Эти темные и светлые полосы называются дифракционной картиной, как показано на рис. Эта картина возникает из-за дифракции света вокруг нижнего края непрозрачного объекта и в результате интерференции прямых и дифрагированных световых лучей. Если освещенность в любой точке равна нулю или минимальна, это называется деструктивной интерференцией, которая представляет собой темную полосу, а если она максимальна, это называется конструктивной интерференцией, которая представляет собой яркую полосу. Дальнейшее рассмотрение этого традиционного метода дифракции доступно в учебнике по физике Serway и Jewett 9.0646 21 . Традиционная краевая дифракционная картина и распределение интенсивности, показанные на рис., используются далее в этой статье для сравнения предложенной нами концепции.
Открыть в отдельном окне
Схематическая диаграмма, иллюстрирующая явление дифракции на линейке.
Явление дифракции изучается в рамках двух классов, а именно теорий дифракции Френеля и Фраунгофера 22 – 24 . Дифракция Френеля представляет собой плохое приближение – случаи, когда один или оба источника и экрана наблюдения находятся достаточно близко к апертуре, поэтому необходимо учитывать кривизну волнового фронта. Работа, представленная в этой статье, посвящена дифракции Френеля. Дифракционная картина Френеля имеет математически сложный характер 13 , 25 .
Среди них хорошо известен подход Френеля, основанный на принципе Гюйгенса 26 , 27 . Он описывает дифракционное поле в терминах суперпозиции двух волн: одна волна распространяется через дифрагирующий объект без каких-либо возмущений (называется геометрической волной), а вторая волна исходит из каждой точки освещенной границы объекта или края (называется границей). дифрагированная волна). Распределение интенсивности на экране наблюдения можно записать как 27
I=|U(g)|2+|U(d)|2+2U(g)U(d)cos(kδ),
1
где U (g ) и U (г) – амплитуды геометрической и дифрагированной волн соответственно, δ – разность фаз геометрической и дифрагированной волн. Уравнение ( 1 ) показывает, что распределение интенсивности в плоскости наблюдения колеблется между огибающими [U(g)+U(d)]2 и [U(g)−U(d)]2, оно касается первой, когда потому что( kδ ) = +1 и позже, когда cos( kδ ) = −1. Это показывает, что в плоскости наблюдения интерференционные полосы генерируются в области прямого освещения, где U (ж) интерферирует с U (г) , однако в области геометрической тени только U ( г) присутствует и, следовательно, помех не наблюдается. Контраст этих полос продолжает уменьшаться по мере удаления от границы тени. Это связано с тем, что амплитуда геометрической волны почти постоянна в области прямого освещения, в то время как амплитуда граничной дифракционной волны быстро падает по мере удаления от граничной тени. Ширина бахромы β для яркой полосы или темной полосы для определенного порядка полос 2−n1/2]n=1,2,3,…,
2
где r — расстояние между источником и непрозрачным краем, а b — расстояние между непрозрачным краем и экраном наблюдения. Уравнение ( 2 ) показывает, что ширина полосы β продолжает уменьшаться с увеличением порядка полосы 9009. 8 п . Кроме того, для конкретного порядка интерференционных полос n , β можно увеличить, уменьшив r . Уравнение ( 2 ) также показывает, что его можно использовать для описания явления на основе освещения точечным источником, а не на основе коллимированного источника света. Позже в разделе обсуждений мы расскажем, что в качестве источника света использовался диодный лазер. Он имеет микролинзу, прикрепленную к его излучающей головке, чтобы изменить форму луча от эллиптической до круглой, и имеет расходимость около 0,8 мрад. Мы не использовали никакую внешнюю оптику для коллимации лазерного луча в наших экспериментах. Следовательно, уравнение ( 2 ) все еще можно использовать для описания явления, поскольку лазерный источник с расходимостью 0,8 мрад все еще можно приблизить к точечному источнику. С другой стороны, расходимость играет решающую роль в дифракционных экспериментах, и поэтому ею нельзя пренебрегать, в отличие от интерференционных экспериментов. Однако достижимое изменение ширины полосы за счет изменения r было бы незначительным, если расстояние между непрозрачным краем и экраном наблюдения b очень меньше по сравнению с .0098 р . В предлагаемом методе краевой дифракции b очень меньше по сравнению с r .
Концепция дифракции вокруг края фотоприемника: одновременная генерация и обнаружение
В этой работе оптическая дифракция устанавливается без поддержки какого-либо внешнего непрозрачного объекта. С другой стороны, в качестве непрозрачного объекта использовался край чувствительной области фотодетектора, который используется для регистрации дифракционной картины. Экспериментальная установка, используемая для одновременной генерации и регистрации такой дифракционной картины, показана на рис. Дифракционная картина создается на фотодетекторе путем освещения фотодетектора таким образом, что световой луч, падающий на границу раздела между активной чувствительной и непрозрачной областями фотодетектора, как показано на рис. Дифракционная картина, сформированная на фотоприемнике, показана на рис. , а соответствующее распределение интенсивности, полученное вдоль центральной горизонтальной оси, показано на рис. . Одновременно фотодетектор генерирует электрический сигнал, соответствующий картине интерференционных полос в реальном времени. Поэтому этот метод называется одновременным.
Открыть в отдельном окне
Дифракция вокруг края фотоприемника: ( a ) Экспериментальная схема одновременной генерации и регистрации; ( b ) Освещение по краям; ( c ) Полученная дифрактограмма и ( d ) Полученное распределение интенсивности.
Изображения, представленные на рис. , сняты внешней цифровой зеркальной фотокамерой Nikon D5600. Изображение, представленное на рис. , не может показать явление дифракции с деталями и диапазоном освещенности непосредственно для глаза, но оно может указать на общий характер эффекта. Изображение, показанное на рис. , представляет собой увеличенный участок краевой области дифракции на фотодетекторе. Затем изображение, показанное на рис., подвергают анализу с помощью программного обеспечения Matlab. Значения интенсивности преобразуются в цифровую информацию путем тщательного считывания координатных точек. Данные, представленные на рис. , получены путем извлечения значений интенсивности вдоль центральной горизонтальной оси рис. .
Полученная картина интерференционных полос и распределение интенсивности, показанные на рис. , сравниваются с таковыми для традиционно установленной прямолинейной дифракции Френеля 21 , показанной на рис. . Сравнение подтверждает, что существует сходство и близкое соответствие между традиционным и предлагаемым случаями краевой дифракции. Полосы, полученные предложенным методом, имеют искривленную форму, а чередующиеся полосы проявляют более высокую интенсивность, чем предыдущие. Причина такого изогнутого вида полос и изменения амплитуды чередующихся полос связана с тем, что край фотодетектора, использованного в этом исследовании, представляет собой не совсем один прямой край, а изогнутый край. Кривые ребра можно рассматривать как состоящие из бесконечного числа бесконечно малых прямых ребер, имеющих разную ориентацию. Из-за этого внутри фотодетектора в разных ориентациях формируются разные прямолинейные дифракционные картины, которые интерферируют между собой. Это чаще встречается в задачах дифракции и называется эффектом каустики 9.0646 28 , 29 . Сравнение качественно показало, что сходства намного больше, чем различий, за исключением очевидной кривизны. Никакого другого прямого сравнения в традиционной литературе и искусстве не существует. Однако исследования, проведенные P. M. Rinard 30 в 1976 г. на крупномасштабных дифракционных картинах от круглых объектов, также подтверждают данные, представленные на рис. Чтобы еще больше подтвердить эти данные, можно рассмотреть эквивалентный муаровый узор, нарисовав на экране наблюдения разные полосы прямых краев вдоль всей ориентации изогнутого края, что приведет к данным, аналогичным показанным на рис. .
Предлагаемая система краевой дифракции обладает многочисленными преимуществами по сравнению с другими традиционными методами, такими как интерферометры. Основным преимуществом этого метода является простота его реализации, когда нет необходимости в оптике. Традиционные методы включают использование высококачественных оптических элементов, таких как объектив, светоделитель, зеркало, и, следовательно, существуют связанные с этим сложности, такие как оптические проблемы выравнивания, аберрации и астигматизма. Традиционные интерферометры требуют относительно мощных лазерных источников, поскольку свет проходит несколько путей через светоделители и, следовательно, связанные с этим потери интенсивности света неизбежны. Другими важными преимуществами являются (i) экономичность и меньшая чувствительность к экологическим и тепловым проблемам, поскольку не используется дополнительная оптика, (ii) возможность оценить радиус кривизны изогнутой дифрагирующей кромки, (iii) не зависит от свойства материала дифрагирующей кромки, независимо от того, является ли он проводящим или непроводящим, отражающим или поглощающим, металлическим или неметаллическим и т. д. Наиболее спонтанным неотъемлемым преимуществом является то, что предлагаемая система краевой дифракции имеет сравнимую более высокую интенсивность дифрагированной волны с прямой геометрической волной и следовательно, можно наблюдать четкие полосовые узоры, поскольку дифракционная кромка встроена в экран наблюдения фотодетектора.
Предлагаемый метод имеет дополнительные преимущества по сравнению с системой квадрантного детектора. Квадрантный детектор имеет четыре ячейки, разделенные промежутком. Основным требованием для использования этого детектора является то, что световой луч должен освещаться во всех четырех квадрантах одновременно. Это условие вводит определенные ограничения в чувствительности, точности, динамическом диапазоне и, следовательно, в приложениях.
Метод, рассмотренный выше в этой статье, находит ряд метрологических, гражданских и оборонных применений. Некоторыми из наиболее важных и ярких примеров являются (i) дистанционный мониторинг акустического сигнала, (ii) аппаратура для работы в качестве оптического микрофона, (iii) бесконтактная аппаратура для измерения перемещений объектов, (iv) аппаратура для работы в качестве оптический гидрофон для подводного акустического обнаружения, (v) аппаратура для подслушивания, (vi) аппаратура для обнаружения поверхностных волн, внутренних волн и любых гидродинамических возмущений в океане, (vii) аппаратура для обнаружения гравитационных волн (viii) аппаратура для обнаружения колебаний давления в любой оптически прозрачной среде (ix) аппаратура для обнаружения выживших из труднодоступных завалов, образовавшихся в результате стихийных бедствий и т. д.
При обсуждении предложенной краевой дифракционной системы очевидно интересно узнать о влиянии площади экспозиции между непрозрачной краевой областью и активной чувствительной областью. Эффект зависит от нескольких факторов, таких как размер лазерного луча, угол краевого освещения и, следовательно, угол дифракции и юстировка фотодетектора в дополнение к соотношению площадей экспонирования. Подробное изучение и демонстрация этого эффекта требует большого объема исследований и, следовательно, не предпринимается в данной работе.
Реалистичные условия экспозиции 50:50 соблюдались во всех экспериментах, описанных в этой статье. Тем не менее, мы сделали логический анализ, чтобы разумно устранить этот важный эффект, поскольку это было бы полезно для читателей. Наиболее вероятным и заметным результатом из-за влияния площади экспозиции будет увеличение и уменьшение выходного электрического сигнала фотодетектора. Для объяснения этого эффекта сделаны следующие допущения: (i) если экспонируемая площадь активной чувствительной области больше (т. е. условия экспонирования 25:75), то очевидно ожидание, что дифракционная полоса первого порядка будет иметь большую интенсивность и впредь с другими краями. Однако точно оценить эти изменения интенсивности достаточно сложно, так как площадь экспонирования дифрагированного луча внутри фотоприемника зависит от угла освещения и юстировки фотоприемника. Но несомненно, что чистый электрический сигнал на выходе фотодетектора будет увеличиваться из-за комплексного эффекта объясненных выше фактов. (ii) Обратное имеет место, если экспонируемая площадь активной сенсорной области меньше (т.е. условия экспонирования 75:25).
Также интересно выделить эффект пространственной неоднородности, поскольку большинство фотодетекторов имеют проблемы, связанные с такой неоднородностью. Пространственные неоднородные отклики возникают из-за нескольких факторов, таких как кристаллическая структура, качество изготовления, излучение, теплопроводность и конвекционные потери, неоднородность материала и эффекты поверхностной рекомбинации и т. д. Также установлено, что он зависит от длины волны, поскольку поглощение сильно зависит на длине волны. Поглощение в видимой области становится достаточно умеренным в кремниевых фотодетекторах, чтобы фотоны могли достигать обедненной области, поэтому генерация носителей из обедненной области становится доминирующей и приводит к хорошей однородности 31 , 32 . Мы провели качественный анализ этого эффекта и обнаружили, что неравномерная пространственная чувствительность кремниевых фотодетекторов меньше в видимой области при умеренно низкой интенсивности входного лазерного излучения. Однако при более высокой интенсивности лазера неоднородные отклики возникают даже в видимой области. Мы проверили этот эффект на том же фотодетекторе с входной мощностью лазера 4,9 мВт и заметили, что нет значительных изменений отклика на его активной чувствительной поверхности. Следовательно, эффект пространственной неоднородности не внес бы существенной погрешности в наши измерения 31 , 32 .
Экспериментальный метод и изготовленный датчик были предварительно охарактеризованы в лаборатории, а затем сравнены с традиционным методом и датчиками. В следующем разделе сообщаются и обсуждаются экспериментальные результаты.
Лабораторная характеристика для измерения вибрации
Чтобы продемонстрировать возможности применения метода, в этой статье для демонстрации выбран соответствующий пример измерения вибрации. Функциональность обнаружения вибрации с помощью дифракции краев фотодетектора реализована на оптическом столе в лаборатории. В частности, динамический отклик был протестирован и сравнен с традиционным методом. Для этой цели используется экспериментальная установка, показанная на рис. Здесь лазерный луч освещается отражающей вибрирующей испытательной поверхностью, а отраженный луч света собирается на краю фотодетектора, как описано в предыдущих параграфах. В этой установке в качестве вибрирующей испытательной поверхности выбрано маленькое отражающее зеркало, закрепленное на центральной диафрагме лабораторного громкоговорителя. Диодный лазер с круговым лучом мощностью 4,9мВт и длина волны 635 нм, который относится к классу VHK ™ производства M/s. В качестве источника света использовали Coherent Inc., США. Кремниевый фотодетектор с круглой сенсорной областью 100 мм 2 с выходным разъемом BNC, полученным из M/s. В эксперименте использовалась компания Edmond Optics. Любые собственные или индуцированные вибрации, проявляющиеся на диафрагме, изменяют путь лазерного луча, который, в свою очередь, проявляется в виде изменяющейся во времени дифракционной картины на фотодетекторе. В этом случае простое изменение длины пути не изменит дифракционную картину. Тот же фотодетектор регистрирует временные изменения интенсивности света благодаря изменяющейся во времени дифракционной картине, которая, в свою очередь, является проявлением вибраций в реальном времени.
Открыть в отдельном окне
Экспериментальная установка для измерения вибрации.
Известный эталонный тестовый сигнал с помощью генератора сигналов подается на громкоговоритель, заставляя диафрагму громкоговорителя вибрировать в ответ на эталонный сигнал. Интенсивность дифракционной картины, генерируемой на фотодетекторе, модулируется с той же скоростью (амплитудой и частотой) вибрации. Выход фотодетектора подключается к одному из каналов осциллографа, а опорный тестовый сигнал подключается к другому каналу для целей проверки. В частности, экспериментальная характеристика расширена до частоты 20 кГц, что является спектральным диапазоном, имеющим первостепенное значение для обнаружения акустических колебаний. Два типичных результата этого эксперимента по характеристике в виде снимков экрана показаны на рис.
Открыть в отдельном окне
Экспериментальные результаты, подтверждающие возможности предлагаемого метода измерения вибрации и сравнения опорного и наблюдаемого сигналов. ( a ) сигнал 100 Гц и ( b ) сигнал 5 кГц подается на громкоговоритель.
На рис. желтый график соответствует входу генератора сигналов, а зеленый цвет соответствует выходу предлагаемого метода. Отмечено, что частоты, измеренные осциллографом для опорного сигнала и выходного сигнала фотоприемника по предлагаемому методу, хорошо согласуются и совпадают.
Валидация измерения вибрации с использованием нескольких частот
Для дальнейшей проверки концепции мониторинга вибрации с помощью спектра частот в режиме реального времени на компьютере воспроизводится файл звуковой волны, а выход подключается к громкоговорителю. Для этого проверочного эксперимента использовалась экспериментальная установка, показанная на рис. Выход фотодетектора подключен к одному из каналов платы сбора данных (DAQ) NI PCI 6014 от National Instruments, которая установлена на другом ПК, и сигнал звуковой волны также подается на другой канал платы сбора данных NI PCI 6014. Мгновенно входные данные, поступающие на карту сбора данных NI PCI 6014, собираются и сохраняются с помощью программного обеспечения LabVIEW. Полученные результаты временного ряда показаны на рис. .
Открыть в отдельном окне
Экспериментальная проверка предложенного метода в качестве вибродатчика полосы частот с вводом звукового волнового файла.
Из рис. видно, что выходной сигнал, зарегистрированный предлагаемым методом, хорошо согласуется и согласуется с заданным сигналом. Это подтверждает эффективность предлагаемого метода мониторинга звука и вибрации и его способность одновременно обнаруживать и различать несколько частот.
Проверка в качестве оптического микрофона
Для демонстрации функциональности предлагаемого метода в качестве оптического микрофона был разработан и изготовлен компактный прототип прибора с использованием метода, показанного на рис. . Эскиз концептуального проекта, использованного для этого прибора, показан на рис. . Лазер и фотодетектор смонтированы внутри цилиндрического корпуса с соответствующим питанием от батареи и выключателем. Передняя поверхность цилиндрического корпуса была зафиксирована акустически чувствительным материалом с внутренней поверхностью с отражающим покрытием и внешним вращающимся ключом для целей выравнивания.
Открыть в отдельном окне
Концептуальный эскиз оптического микрофона, использующего краевую дифракцию фотоприемника.
Динамический отклик датчика был проверен с помощью человеческого речевого сигнала. Разработанный датчик оптического микрофона и стандартный микрофон (производства M/s Phillips, модель: SBCMD150/01) располагались перед человеком на расстоянии 15 см, а его речевой сигнал записывался и извлекался при поддержке NI. Карта сбора данных PCI 6104 и программное обеспечение LabVIEW. Впоследствии данные этого временного ряда были подвергнуты спектральному анализу с использованием функций PWELCH и BICOHER в Matlab, чтобы получить представление о спектральном отклике и свойствах когерентности между разработанным датчиком оптического микрофона и стандартным микрофоном. На рисунке показаны типичные временные ряды, спектры и характеристики спектральной когерентности оптического и стандартного микрофонов. Из графиков видно, что оптический микрофон демонстрирует сравнимую частотную характеристику, за исключением небольших отклонений в амплитуде. Амплитудные характеристики различаются из-за встроенного предусилителя, присутствующего в стандартном микрофоне. Обнаружено, что когерентность сохраняется в диапазоне частот 600–4000 Гц, что демонстрирует точность метода для работы в качестве оптического микрофона. Остальные колебания, обнаруженные на спектральном графике, можно отнести к малейшим колебаниям, исходящим от посторонних источников в лаборатории.
Открыть в отдельном окне
Временные, спектральные и когерентные характеристики оптического микрофона. ( a ) Время отклика; ( b ) Спектральный отклик и ( c ) Спектральная когерентность.
Следует отметить, что существуют определенные приложения, в которых требуется постоянная запись сигналов, обнаруженных прибором, например показанным на рис. . Этого можно добиться, подключив выходные клеммы фотодетектора, показанные на рис. , к любому другому стандартному аудиорекордеру, чтобы его можно было воспроизвести для воспроизведения записанного сигнала. С другой стороны, выходные клеммы фотодетектора можно подключить к стандартной акустической системе с подходящим усилителем, и входной сигнал, подаваемый на оптический микрофон, будет отчетливо слышен вживую.
Успешно продемонстрировано новое наблюдение явления оптической дифракции вокруг краев фотодетектора. Дифракционные полосы генерируются и одновременно регистрируются одним и тем же фотодетектором за счет освещения световым лучом границы между чувствительной и непрозрачной областями фотодетектора. Это упрощает решение традиционных задач краевой дифракции и, таким образом, расширяет возможности применения в приложениях для измерения звука и вибрации. Полученные дифракционные полосы и распределение интенсивности были проверены традиционными методами и признаны соответствующими. Чтобы продемонстрировать возможности метода измерения вибрации, сенсорная система была охарактеризована в лаборатории для диапазона частот от 100 Гц до 10 кГц. Полезность этого метода была использована в различных приложениях для измерения вибрации, и был изготовлен и успешно продемонстрирован датчик оптического микрофона. Предполагается, что концепция и методология, предложенные в документе, могут найти потенциальное метрологическое применение в гражданских и оборонных целях, особенно в подводном зондировании в ближайшем будущем.
Авторы признательны Шри. С.К. Шеной, ученому «Х», директору NPOL за предоставление всей необходимой поддержки, критические комментарии и разрешение на публикацию статьи. Авторы благодарят Шри. Правин Нареш, ученый F, за помощь в создании распределения интенсивности по изображению дифракционных полос.
Т.С. и Р. Р. придумали идею исследования. Р.Л.А. проводят характеристики в лаборатории. C.V.S. спроектировал, изготовил датчик оптического микрофона и провел проверочные эксперименты. Т.С. и Р.Р. координировали исследования и разработали приложения. Р.Л.А. и C.V.S. провел анализ данных. Т.С. и Р.Р. написали рукопись с последующим вкладом Р.Л.А. и C.V.S. Все авторы внесли свой вклад в рукопись, рассмотрели и одобрили подачу окончательной версии рукописи.
Авторы подтверждают, что данные, подтверждающие результаты этого исследования, доступны в статье. Однако любые наборы данных, сгенерированные и/или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по разумным запросам.
Конкурирующие интересы
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.
1. Малакара, Д. Тестирование магазина оптики . 3-е изд. (Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Нью-Джерси, 2007 г.).
2. Малакара Д. Интерференция: физическая оптика и световые измерения. Методы экспериментальной физики. 1989; 26:1–48. doi: 10.1016/S0076-695X(08)60221-5. [CrossRef] [Google Scholar]
3. Хардинг К.Г., Харрис Дж.С. Проекционный интерферометр Муара для анализа вибрации. Прикладная оптика. 1983; 22: 856–861. doi: 10.1364/AO.22.000856. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
4. Forno C. Измерение деформации с помощью муаровой фотографии высокого разрешения. Оптика и лазеры в технике. 1988; 8: 189–212. doi: 10.1016/0143-8166(88)
-3. [CrossRef] [Google Scholar]
5. Вест, К. М. Голографическая интерферометрия . (Джон Уайли и сыновья, Нью-Йорк, 1979).
6. Кумар У.П., Кальяни Ю., Кришна Мохан Н., Котиял М.П. Усредненная во времени ТВ-голография для анализа вибрационных полос. Прикладная оптика. 2009;48:3094–3101. doi: 10.1364/AO.48.003094. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
7. Холливелл Н.А. Лазерно-доплеровское измерение вибрирующих поверхностей: портативный прибор. Журнал звука и вибрации. 1979; 62: 312–315. doi: 10.1016/0022-460X(79)-2. [CrossRef] [Google Scholar]
8. Høgmoen K, Løkberg OJ. Обнаружение и измерение малых вибраций с помощью электронной спекл-интерферометрии. Прикладная оптика. 1977; 16: 1869–1875. doi: 10.1364/AO.16.001869. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
9. Сантханакришнан Т., Паланисами П.К., Сирохи Р.С. Формирование интерференционных полос в схеме измерения смещения в плоскости с двукратным увеличением чувствительности: теория и эксперимент. Прикладная оптика. 1998;37:4150–4153. doi: 10.1364/AO.37.004150. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
10. Pisani, M. Гомодинный интерферометр Майкельсона с субпикометрическим разрешением. Наука и техника измерений 20 , 084008 (6 стр.) (2009).
11. Малакара Д. Дифракция и рассеяние: физическая оптика и световые измерения. Методы экспериментальной физики. 1989; 26: 49–105. doi: 10.1016/S0076-695X(08)60222-7. [CrossRef] [Google Scholar]
12. Госвик К. Дж. Оптическая метрология . (Джон Вили и сыновья, Нью-Йорк, 1987).
13. Борн М. и Вольф Э. Основы оптики . 7-е изд. (Издательство Кэм Юниверсити, Эдинбург, 1999).
14. Ван С. О принципах дифракции. Оптик. 1995; 100:107–108. [Google Scholar]
15. Отис Г., Лашамбр Дж.-Л., Лит В.Ю., Лавин П. Дифрагированные волны в области теневой границы. Журнал Оптического общества Америки. 1977; 67: 551–553. doi: 10.1364/JOSA.67.000551. [CrossRef] [Академия Google]
16. Ганчи С. Эксперимент по физической реальности дифрагированных волн. Американский журнал физики. 1989; 57: 370–373. дои: 10.1119/1.16024. [CrossRef] [Google Scholar]
17. Хижняк А.И., Анохов С.П., Лымаренко Р.А., Соскин М.С., Васнецов М.В. Структура краевой дислокационной волны, возникающей при дифракции плоской волны на полуплоскости. Журнал Оптического общества Америки А. 2002; 17: 2199–2207. doi: 10.1364/JOSAA.17.002199. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
18. Lit JWY, Tremblay R. Волновая граничная теория дифракции каскадных апертур. Журнал Оптического общества Америки. 1969;59:559–567. doi: 10.1364/JOSA.59.000559. [CrossRef] [Google Scholar]
19. Langlois P, Lessard RA. Одновременное профилирование и масштабирование лазерного луча с использованием краевой волны дифракции (DEW) Труды SPIE. 1986; 661: 315–321. doi: 10.1117/12.938632. [CrossRef] [Google Scholar]
20. Полянский П.В., Полянская Г.В. Молодая голограмма – голограмма пятого типа. Журнал оптических технологий. 1997; 64: 321–330. [Google Scholar]
21. Serway, R. A. & Jewett, J. W. Физика для ученых и инженеров . 6-е изд. (Томсон Брукс/Коул, Бостон, 2004 г.).
22. Сирохи, Р. С. Курс экспериментов с гелий-неоновым лазером . (Wiley Eastern Limited, Нью-Дели, 1986 г.).
23. Эрик Удд. Волоконно-оптические датчики: Введение для инженеров и ученых . (John Wiley and Sons Inc., Нью-Йорк, 1991).
24. Педротти Ф.Л. и Педротти Л.С. Введение в оптику, второе издание . (Прентис Холл, Нью-Джерси, 1993).
25. Дженкинс Ф. А. и Уайт Х. Э. Основы оптики, издание четвертое . (Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 2001 г.).
26. Jennings JK, McGruder CH., III. Сравнение дифракционной картины диска с дифракционной картиной прямой ребра в покрытиях. Астрономический журнал. 1999; 118:3061–3067. дои: 10.1086/301122. [CrossRef] [Google Scholar]
27. Кумар Р., Каура С.К., Шарма А.К., Чхачхия Д.П., Аггарвал А.К. Дифракционная картина на краю ножа как явление интерференции: экспериментальная реальность. Оптика и лазерная техника. 2007;39: 256–261. doi: 10.1016/j.optlastec.2005.08.008. [CrossRef] [Google Scholar]
28. Берри М.В. Разрушение образов: теорема каустического прикосновения. Журнал Оптического общества Америки А. 1987; 4: 561–569. doi: 10.1364/JOSAA.4.000561. [CrossRef] [Google Scholar]
29. Берри М.В., Уилсон А.Н. Черно-белые полосы и цвета каустики. Прикладная оптика. 1994; 33:4714–4718. doi: 10.1364/AO.33.004714. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
30. Rinard PM. Крупномасштабные дифракционные картины от круглых объектов. Американский журнал физики. 1976;44:70–76. дои: 10.1119/1.10142. [CrossRef] [Google Scholar]
31. Фишер Дж., Фу Л. Измерение нелинейности фотодиодов с лазером со стабилизацией интенсивности в качестве источника излучения. Прикладная оптика. 1993; 32: 4187–4190. doi: 10.1364/AO.32.004187. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
32. Кубарсепп Т., Хаапалинна А., Кӓрхӓ П., Иконен Э. Измерения нелинейности кремниевых фотодетекторов. Прикладная оптика. 1998; 37: 2716–2722. doi: 10.1364/AO.37.002716. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
Применение дифракции электронов на сходящемся пучке в материаловедении
Обзор
. 1989 сен; 13 (1): 66-75.
doi: 10.1002/jemt.1060130109.
Д. Дж. Иглшем 1
принадлежность
- 1 Факультет материаловедения и инженерии, Ливерпульский университет, Великобритания.
- PMID: 2674368
- DOI: 10.1002/жемт.1060130109
Обзор
Д. Дж. Иглшем.
Дж Электрон Микроск Тех.
1989 Сентябрь
. 1989 сен; 13 (1): 66-75.
doi: 10.1002/jemt.1060130109.
Автор
Д. Дж. Иглшем 1
принадлежность
- 1 Факультет материаловедения и инженерии, Ливерпульский университет, Великобритания.
- PMID: 2674368
- DOI: 10.1002/жемт.1060130109
Абстрактный
Рассмотрены методы, с помощью которых дифракция электронов на сходящихся пучках (CBED) используется для решения практических задач материаловедения. Особое внимание уделяется тем приложениям, в которых был достигнут консенсус в отношении потенциальных трудностей, но эти проблемы никогда не рассматривались в явном виде в литературе. Определение точечной группы с использованием CBED является стандартным методом, но здесь описано несколько различных экспериментальных методов; различные подходы и полученная информация сравниваются. Показано, что эти определения точечной симметрии в значительной степени зависят от устранения большого количества потенциальных артефактов: суммируются возможные источники нарушения симметрии и идентифицируются их характерные особенности. Это должно дать рецепт для демонстрации того, возникает ли нарушение симметрии из-за кристаллической структуры, дефектов, деформации или морфологии образца. В определениях пространственных групп практический подход в настоящее время довольно стандартный, но статья обращает внимание на некоторые аномалии. Определения деформации и параметра решетки также являются стандартными, но начинает появляться консенсус в отношении того, что интерпретационные трудности, связанные с учетом релаксации тонких пленок, чрезвычайно серьезны: некоторые из этих трудностей обрисованы в общих чертах. Наконец, в статье также рассматриваются некоторые методы, которые использовались для извлечения структурной или композиционной информации из CBED: экспериментальный подход зависит от конкретной проблемы, и цель статьи состоит в том, чтобы предоставить несколько примеров, чтобы проиллюстрировать, что это возможно.
Похожие статьи
Измерение параметра решетки и деформации с помощью дифракции электронов на сходящемся пучке.
Рэндл В., Баркер И., Ральф Б. Рэндл В. и др. Дж Электрон Микроск Тех. 1989 сен; 13 (1): 51–65. doi: 10.1002/jemt.1060130108. Дж Электрон Микроск Тех. 1989. PMID: 2674367 Обзор.
Использование количественной дифракции электронов на сходящемся пучке в материаловедении.
Холместад Р.
, Биркеланд К.Р., Мартинсен К., Хойер Р., Зуо Дж.М.
Холместад Р. и соавт.
Микроск Рес Тех. 1999 г., 15 июля; 46 (2): 130–45. doi: 10.1002/(SICI)1097-0029(199)46:23.0.CO;2-O.
Микроск Рес Тех. 1999.
PMID: 10423558
Обзор.Определение элементарной ячейки.
Айер Р. Айер Р. Дж Электрон Микроск Тех. 1989 сент.; 13(1):16-26. doi: 10.1002/jemt.1060130105. Дж Электрон Микроск Тех. 1989. PMID: 2674366 Обзор.
Практическая идентификация фаз методом дифракции электронов на сходящемся пучке.
Мэнсфилд Дж. Мэнсфилд Дж. Дж Электрон Микроск Тех. 1989 сен; 13(1):3-15. doi: 10.1002/jemt.1060130104. Дж Электрон Микроск Тех. 1989. PMID: 2778525
Анализ симметрии.