Применение дифракции света: «Дифракция света 1. Дифракция света на щели, круглом диске и круглом отверствии. 2.Дифракционная решетка и ее применение.». Скачать бесплатно и без регистрации.
Дифракция света презентация, доклад, проект
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
УРОК ФИЗИКИ — ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
КУРНОСОВА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА
ПЛАН УРОКА
1. Дифракция механических волн.
2. Дифракция света:
а) Опыт Юнга;
б) Принцип Гюйгенса-Френеля;
в) Условия наблюдения дифракции света.
3. Применение дифракции света.
4. Дифракционная решетка.
5. Закрепление урока.
6. Домашнее задание.
1. Изучить условия возникновения дифракции волн.
2. Объяснить явление дифракции света, используя принцип Гюйгенса-Френеля.
3.Убедиться, что дифракция свойственна свету.
ЦЕЛЬ УРОКА
ДИФРАКЦИЯ
МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН
нарушение
целостности фронта световой волны
из-за неоднородности среды
нарушение закона
прямолинейного
распространения света.
ПРОЯВЛЯЕТСЯ КАК:
Дифракции волн на поверхности воды
ЗАДАЧИ
1.ПОЧЕМУ МОЖНО СЛЫШАТЬ СИГНАЛ АВТОМОБИЛЯ ЗА УГЛОМ ЗДАНИЯ, КОГДА САМОЙ МАШИНЫ НЕ ВИДНО?
2. ПОЧЕМУ МЫ КРИЧИМ В ЛЕСУ, ЧТОБЫ НЕ ПОТЕРЯТЬ СВОИХ ДРУЗЕЙ?
Помощь
Ответы
Когда размеры препятствий малы, волны, огибая края препятствий, смыкаются за ними. Способность огибать препятствия обладают звуковые волны
«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.
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.
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.
Условие наблюдения дифракции:
— длина волны;
D- размер препятствия;
l-расстояние от препятствия до точки наблюдения результата дифракции (дифракционной картины)
Примеры дифракционных картин
от различных препятствий
от круглого отверстия;
от тонкой проволоки или щели;
от круглого экрана;
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА
ПРОЗРАЧНЫЕ
ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ
(СОВОКУПНОСТЬ БОЛЬШОГО ЧИСЛА РЕГУЛЯРНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ЩЕЛЕЙ И ВЫСТУПОВ, НАНЕСЕННЫХ НА НЕКОТОРУЮ ПОВЕРХНОСТЬ)
.
Штрихи наносятся на зеркальную (металлическую) поверхность
Штрихи наносятся на прозрачную (стеклянную) поверхность
ФОРМУЛА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
d- период дифракционной решетки;
n- порядок максимума;
— угол, под которым наблюдается максимум дифракционной решетки;
— длина волны.
dsinα=n
Разложение белого света в спектр
Задачи на дифракцию света
1. На поверхности лазерного диска
видны цветные полоски.
Почему?
Помощь
2. Подумайте как можно быстро
изготовить дифракционную решетку.
Почему такая решетка считаться будет «грубой»?
Ответы на задачи
1. Поверхность лазерного диска состоит из ячеек, которые играют роль щелей дифракционной решетки. Цветные полосы – это дифракционная картина.
2. Если посмотреть сквозь ресницы глаз на яркий свет, то можно наблюдать спектр. Ресницы глаз можно считать «грубой» дифракционной решеткой, так как расстояние между ресничками глаза достаточно большое.
1. НА ДИФРАКЦИОННУЮ РЕШЕТКУ,
ИМЕЮЩУЮ 500 ШТРИХОВ НА КАЖДОМ МИЛЛИМЕТРЕ,
ПАДАЕТ СВЕТ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ450 НМ.
ОПРЕДЕЛИТЕ НАИБОЛЬШИЙ ПОРЯДОК МАКСИМУМА,
КОТОРЫЙ ДАЕТ ЭТА РЕШЕТКА.
Задачи на дифракцию света
Помощь
Решение задач
2. Дано СИ Решение
d= мм= м Максимальный порядок max можно
найти взяв максимальный угол
=450нм=45*10-8м при прохождении через щели
nmax — ? решетки т.е. αmax=900
dsinα= n ; nmax= ;
nmax= =4
Ответ: nmax =4
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
§ 48 — 50
Экспериментальные задачи:
В куске картона сделайте иглой отверстие и посмотрите через него на раскалённую нить электрической лампы. Что вы видите? Объясните.
Посмотрите на нить электрической лампы через птичье перо, батистовый платок или капроновую ткань. Что вы наблюдаете? Объясните.
Итоги урока:
Дифракция механических волн.
2. Опыт Юнга.
3. Принцип Гюйгенса – Френеля.
4. Дифракция света.
5. Дифракционная решетка.
Скачать презентацию
Дифракция света | Презентация к уроку (физика, 11 класс) по теме:
Слайд 1
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА УРОК ФИЗИКИ — ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: КУРНОСОВА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА
Слайд 2
ПЛАН УРОКА 1. Дифракция механических волн. 2. Дифракция света: а) Опыт Юнга; б) Принцип Гюйгенса-Френеля; в) Условия наблюдения дифракции света. 3. Применение дифракции света. 4. Дифракционная решетка. 5 . Закрепление урока. 6 . Домашнее задание.
Слайд 3
1. Изучить условия возникновения дифракции волн. 2. Объяснить явление дифракции света, используя принцип Гюйгенса-Френеля. 3.Убедиться, что дифракция свойственна свету.
ЦЕЛЬ УРОКА
Слайд 4
ДИФРАКЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН нарушение целостности фронта световой волны из-за неоднородности среды нарушение закона прямолинейного распространения света. ПРОЯВЛЯЕТСЯ КАК:
Слайд 5
Дифракции волн на поверхности воды
Слайд 6
ЗАДАЧИ 1.ПОЧЕМУ МОЖНО СЛЫШАТЬ СИГНАЛ АВТОМОБИЛЯ ЗА УГЛОМ ЗДАНИЯ, КОГДА САМОЙ МАШИНЫ НЕ ВИДНО? 2. ПОЧЕМУ МЫ КРИЧИМ В ЛЕСУ, ЧТОБЫ НЕ ПОТЕРЯТЬ СВОИХ ДРУЗЕЙ? Помощь
Слайд 7
Ответы Когда размеры препятствий малы, волны, огибая края препятствий, смыкаются за ними. Способность огибать препятствия обладают звуковые волны
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.
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.
Слайд 10
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.
Слайд 11
Условие наблюдения дифракции: — длина волны; D- размер препятствия; l -расстояние от препятствия до точки наблюдения результата дифракции (дифракционной картины)
Слайд 12
Примеры дифракционных картин от различных препятствий от круглого отверстия; от тонкой проволоки или щели; от круглого экрана;
Слайд 13
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА ПРОЗРАЧНЫЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ ( СОВОКУПНОСТЬ БОЛЬШОГО ЧИСЛА РЕГУЛЯРНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ЩЕЛЕЙ И ВЫСТУПОВ, НАНЕСЕННЫХ НА НЕКОТОРУЮ ПОВЕРХНОСТЬ) .
Штрихи наносятся на зеркальную (металлическую) поверхность Штрихи наносятся на прозрачную (стеклянную) поверхность
Слайд 14
ФОРМУЛА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ d — период дифракционной решетки; n — порядок максимума; — угол, под которым наблюдается максимум дифракционной решетки; — длина волны. dsinα =n Разложение белого света в спектр
Слайд 15
Задачи на дифракцию света 1. На поверхности лазерного диска видны цветные полоски. Почему? Помощь 2. Подумайте как можно быстро изготовить дифракционную решетку. Почему такая решетка считаться будет «грубой»?
Слайд 16
Ответы на задачи 1. Поверхность лазерного диска состоит из ячеек, которые играют роль щелей дифракционной решетки. Цветные полосы – это дифракционная картина. 2. Если посмотреть сквозь ресницы глаз на яркий свет, то можно наблюдать спектр. Ресницы глаз можно считать «грубой» дифракционной решеткой, так как расстояние между ресничками глаза достаточно большое.
Слайд 17
1. НА ДИФРАКЦИОННУЮ РЕШЕТКУ, ИМЕЮЩУЮ 500 ШТРИХОВ НА КАЖДОМ МИЛЛИМЕТРЕ, ПАДАЕТ СВЕТ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ450 НМ.
ОПРЕДЕЛИТЕ НАИБОЛЬШИЙ ПОРЯДОК МАКСИМУМА, КОТОРЫЙ ДАЕТ ЭТА РЕШЕТКА. Задачи на дифракцию света Помощь
Слайд 18
Решение задач 2. Дано СИ Решение d= мм= м Максимальный порядок max можно найти взяв максимальный угол =450нм= 45*10 -8 м при прохождении через щели n max — ? решетки т.е. α max =90 0 dsinα= n ; n max = ; n max = =4 Ответ: n max =4
Слайд 19
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ § 48 — 50 Экспериментальные задачи: В куске картона сделайте иглой отверстие и посмотрите через него на раскалённую нить электрической лампы. Что вы видите? Объясните. Посмотрите на нить электрической лампы через птичье перо, батистовый платок или капроновую ткань. Что вы наблюдаете? Объясните.
Слайд 20
Итоги урока: Дифракция механических волн. 2. Опыт Юнга. 3. Принцип Гюйгенса – Френеля. 4. Дифракция света. 5. Дифракционная решетка.
1
Первый слайд презентации: Волновая оптика Дифракция света
цель план
Изображение слайда
2
Слайд 2: Цели урока:
Рассмотрев физическую сущность дифракции волн, изучить условия ее возникновения.
Используя принцип Гюйгенса – Френеля, объяснить явление дифракции света.
Выделить связь явлений интерференции и дифракции света на примере опыта Юнга.
Изображение слайда
3
Слайд 3: План урока:
Изучение темы «Дифракция механических волн». Дифракция света: опыт Юнга; принцип Гюйгенса-Френеля; объяснение явления дифракции; применение дифракции света. Границы применимости геометрической оптики. Комментарий д/з.
Изображение слайда
4
Слайд 4: Дифракция механических волн
— нарушение закона прямолинейного распространения волн. Дифракция происходит всегда, когда волны распространяются в неоднородной среде.
Изображение слайда
5
Слайд 5: Случаи, когда дифракция наблюдается ярко:
Размеры преграды сравнимы или меньше длины волны – дифракция сразу за препятствием Размеры препятствия больше длины волны – дифракция наблюдается на большом расстоянии от препятствия
Изображение слайда
6
Слайд 6: Задачи
Если в театре встать за колонной, то артиста не видно, а голос его слышен.
Почему?
Почему люди в лесу, чтобы не потерять друг друга, кричат?
Изображение слайда
7
Слайд 7: Как и почему происходит дифракция?
Как только волна дойдет до щели, каждая точка среды между краями щели станет самостоятельным источником вторичных волн. Новый фронт волны образуется в результате интерференции вторичных волн.
Изображение слайда
8
Слайд 8: Как и почему происходит дифракция?
Так как вторичные волны излучаются и крайними точками щели, то фронт волны, прошедшей через щель, у ее краев изогнется и зайдет за препятствия, образовавшие щель.
Изображение слайда
9
Слайд 9: Как и почему происходит дифракция?
Вторичные волны, испущенные точками среды, до которых дошла волна, прошедшая через щель, зайдут за края препятствий еще больше.
Таким образом, волна после прохождения через щель и расширяется и деформируется.
Изображение слайда
10
Слайд 10
Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона. Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т. Юнгом. Цель: Выделить связь явлений интерференции и дифракции света на примере опыта Юнга.
Изображение слайда
11
Слайд 11: Опыт Т. Юнга. 1802 г
В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S 1 и S 2.
Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S 1 и S 2, перекрывались.
Изображение слайда
12
Слайд 12: Схема опыта Юнга
Изображение слайда
13
Слайд 13: Дифракцией света
называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями (вблизи границ непрозрачных или прозрачных тел, сквозь малые отверстия) и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики.
Изображение слайда
14
Слайд 14: Дифракция света
— приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.
Дифракция света сопровождается интерференцией.
Интерферируют волны, обогнувшие препятствие ( опыт Юнга ).
Изображение слайда
15
Слайд 15
Французский ученый О. Френель развил количественную теорию дифракционных явлений (1818 г.). В основу теории Френель положил принцип Гюйгенса, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн.
Изображение слайда
16
Слайд 16: Принцип Гюйгенса — Френеля
– каждая точка любой воображаемой поверхности, окружающей один или несколько источников света, является центром вторичных световых волн, которые когерентны, и интенсивность света в любой точке пространства есть результат интерференции этих вторичных волн.
Принцип Гюйгенса–Френеля является основным постулатом волновой теории, впервые позволившим объяснить дифракционные явления.
Изображение слайда
17
Слайд 17
Дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец, если препятствие круг или отверстие. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.
Изображение слайда
18
Слайд 18: Дифракция на круглом отверстии
Изображение слайда
19
Слайд 19: Применение дифракции Дифракционная решетка
– оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесенных на некоторую поверхность (от 0,25 до 6000 штрихов на 1 мм).
Изображение слайда
20
Слайд 20: Применение дифракции Дифракционная решетка
Изображение слайда
21
Слайд 21: Границы применимости геометрической оптики
Законы геометрической оптики выполняются достаточно точно лишь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны.
Изображение слайда
22
Слайд 22: Разрешающая способность оптических приборов
Нельзя получить отчетливые изображения мелких предметов (микроскоп) L < λ Предельное угловое расстояние между светящимися точками, при котором их можно различать, определяется отношением (телескоп) λ / D L – линейный размер предмета λ – длина волны D – диаметр объектива
Изображение слайда23
Слайд 23: Домашнее задание
§ 70, 71
Экспериментальные задачи:
В куске картона сделайте иглой отверстие и посмотрите через него на раскалённую нить электрической лампы.
Что вы видите? Объясните.
Посмотрите на нить электрической лампы через птичье перо, батистовый платок или капроновую ткань. Что вы наблюдаете? Объясните.
Посмотрите на поверхность лазерного диска. Объясните причину образования радужной картины.
Изображение слайда
24
Слайд 24: Итоги урока:
Дифракция механических волн Опыт Юнга Принцип Гюйгенса — Френеля Дифракция света Дифракционная решетка Границы применимости геометрической оптики Разрешающая способность оптических приборов
Изображение слайда
25
Слайд 25: Волновая оптика Дифракция света
Спасибо за внимание!
Изображение слайда
26
Слайд 26: Принцип Гюйгенса
— каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн.
Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени.
Изображение слайда
27
Слайд 27: Геометрическая оптика
Свет в однородной среде распространяется прямолинейно Законы отражения света Законы преломления света α = β α β α γ
Изображение слайда
28
Последний слайд презентации: Волновая оптика Дифракция света
Опыт Юнга
Изображение слайда
4 Применение расширенного лазерного дифракционного анализа
4 Применение расширенного лазерного дифракционного анализа
Частицы преломляют свет под определенным углом в зависимости от их размера, создавая дифракционную картину из светлых и темных кругов.
Измерение интенсивности света в широком диапазоне углов позволяет аналитикам определять распределение частиц по размерам. Лазерный дифракционный анализ работает по этому общему принципу.
Теория дифракции Густава Ми используется во множестве приложений для рассеяния света, включая анализ лазерной дифракции. Для получения точных данных требуются некоторые знания об оптических свойствах частиц и взвешенной жидкости. Аппроксимация теории Ми Фраунгофера была разработана для приложений, в которых размер частицы больше, чем длина волны дифрагированного света. Это устранило необходимость в предварительном знании оптических свойств, поскольку они минимально влияют на данные.
Фраунгоферовское приближение теории Ми обычно используется для измерения частиц размером до 30 мкм. Чтобы обеспечить надежные и точные измерения распределения частиц по размерам, требуется хорошее разрешение угловой картины дифрагированного света, а также большое количество детекторов (> 100).
По мере уменьшения размера частиц угол, под которым преломляется свет, увеличивается, а интенсивность уменьшается, что затрудняет определение фактического угла преломления.
Менее 1 мкм практически невозможно отличить свет от частиц разного размера, а менее 0,4 мкм невозможно. Использование более чем одной длины волны света помогает количественно оценить это, но лишь незначительно, и некоторые приборы используют процедуры типа подгонки кривой для оценки данных ниже пределов измерения.
Субмикронные частицы рассеивают поляризованный свет по-разному в зависимости от поляризации и длины волны. Расширенный анализ лазерной дифракции использует это свойство для получения реальных измеренных распределений размеров, а не оценок до 10 нм (0,01 мкм). Он измеряет интенсивность поляризованного света на 3 дополнительных длинах волн. Разница в интенсивности между вертикально поляризованным и горизонтально поляризованным светом (дифференциальное рассеяние интенсивности поляризации — PIDS) дает информацию о количестве и размерах частиц в этой области. Это может быть интегрировано в расчет теории Ми для количественных измерений распределения размеров.
Этот расширенный диапазон измерений обеспечивает основу для динамической характеристики материалов и измерения частиц в широком спектре промышленных, академических и коммерческих секторов.
В этом сообщении блога рассматриваются пять распространенных приложений расширенного лазерного дифракционного анализа.
- Исследования почвы
Лазерные дифракционные анализаторы размера частиц LS 13320 серии LS 13320 используются для измерения размера частиц или зерен в образцах почвы и отложений, что может указывать на то, как сформировалась почва.
- Размер пигмента
Лазерный дифракционный анализ с дифференциальным рассеянием по интенсивности поляризации (PIDS) позволяет измерять частицы вплоть до нанометрового масштаба (нм) путем последовательного освещения образца светом с различной длиной волны. Этот метод использовался для надежного определения размера частиц пигмента размером до 10 нм.
- Контроль качества химических соединений
Усовершенствованный лазерный дифракционный анализ уникально подходит для приложений контроля качества (КК) с превосходным разрешением и непревзойденным динамическим диапазоном по сравнению с традиционными методами лазерной дифракции.
Он обеспечивает быструю оценку распределения частиц по размерам в порошкообразных или жидких образцах с более чем 100 световыми детекторами, позволяющими разрешать тонкие различия в размерах частиц.
- Исследования и разработки
Лазерный дифракционный анализ для целей НИОКР может быть сложным, поскольку некоторые инструменты требуют предварительного знания характеристик размера частиц образца, например, ожидается ли один пик частиц или их может быть более одна популяция частиц, таких как агрегаты. Усовершенствованный лазерный дифрактометр LS 13320 этого не делает. Программное обеспечение выполняет комплексный и всесторонний анализ дифракционных картин, чтобы обеспечить точное распределение частиц по размерам без необходимости оператору угадывать ожидаемый результат.
Расширенный лазерный дифракционный анализ с Meritics
Meritics является ведущим поставщиком в Великобритании приборов для анализа частиц для широкого спектра применений.
Мы работаем с производителями передовых технологий, чтобы предоставить самые передовые системы измерения.
LS 13 320 XR — это наш самый совершенный инструмент для лазерного дифракционного анализа. Он способен работать во всех вышеупомянутых приложениях и даже больше. Если вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.
Необходимый инструмент в современных методах спектрометрии
Последнее обновление: 11 августа 2017 г.
Дифракционные решетки могут разделять белый свет по компонентам его длины волны для создания цветового спектра. Предоставлено Pinterest.
Дифракционные решетки представляют собой оптические компоненты, которые преломляют и разделяют свет на несколько лучей под разными углами по длине волны. Принцип их работы основан на фундаментальных свойствах света и, в частности, на его способности преломляться при попадании в узкие щели или канавки. Способность света преломляться впервые наблюдала и изучала Франческо Мария Гримальди в 17 веке.
Позже печально известный эксперимент с двумя щелями ошеломил научный мир, продемонстрировав, что свет может обладать как корпускулярными, так и волновыми свойствами.
Возможность разлагать свет на составляющие его компоненты открыла новые возможности для понимания состава материалов путем изучения их характеристических спектров поглощения/излучения. Вскоре родилась целая область науки, называемая спектрографией. Дифракционные решетки являются предпочтительным инструментом вместо стеклянных призм в экспериментах по расщеплению света, поскольку они не поглощают ультрафиолетовое или инфракрасное излучение. Это позволяет применять их в гораздо более широком спектре длин волн.
Область спектроскопии возникла в результате изучения рассеяния света призмой. В 1666 году сэр Исаак Ньютон доказал , что белый свет состоит из нескольких длин волн, соответствующих спектру видимого света. Он показал, что когда сфокусированный солнечный свет падает на стеклянную призму, свет приобретает разные цвета под разными углами.
Ученые признали важность дисперсии, и исследования спектроскопии процветали. Затем в 1821 году физик Йозеф фон Фраунгофер разработал дифракционную решетку. Эта первая модель состояла из проволочной сетки, действующей как несколько тонких щелей. Позже Фраунгофер обнаружил, что более близкое расположение проводов еще больше рассеивает спектр. Его открытие и метод позволили упростить анализ и превратили спектроскопию в количественную науку.
Выше показана упрощенная диаграмма попадания падающего света на решетку и результирующая дифракция. Предоставлено Lab-Training.
Современные дифракционные решетки содержат периодическую структуру гребней, которые вызывают колебания амплитуды и фазы выходных волн. В этих устройствах используется дифракция — явление, при котором свет, падающий на поверхность, рассеивается под определенными углами. Угол дифракции зависит от длины волны падающих фотонов. Свет, содержащий несколько длин волн (например, белый свет), будет дифрагировать под разными углами.
Двумя основными типами решеток являются отражательная и пропускающая. Отражающие решетки содержат отражающую поверхность, где сегменты между канавками решетки действуют как параллельные зеркала, заставляя свет интерферировать и формируя дифракционную картину. Решетки передачи обычно состоят из прозрачного материала. Падающий свет проходит через решетку и рассеивается под разными углами в зависимости от расстояния между линейками. Отражающие и пропускающие решетки преломляют свет подобно зеркалам и линзам соответственно.
Сегодня почти во всех световых спектрометрах используются дифракционные решетки. Значительные успехи в методах производства привели к большому прогрессу в решетчатой аппаратуре. Большинство решеток изготавливается методами механической линейки или интерференционными методами. Механическая линейка создает эталонную решетку путем перетаскивания алмаза по металлической подложке для создания серии линеек. Однако сейчас разработчики переходят к записи интерференционных картин для создания голографических решеток.
Этот метод формирует требуемую картину интерференционных полос путем воздействия на светочувствительную подложку двух совпадающих лазеров. Как механическое управление, так и интерференционные методы требуют воспроизведения эталонной решетки.
Штрихи на поверхности дифракционной решетки обычно представляют собой либо синусоидальный, либо выпуклый профиль. Синусоидальные профили типичны для голографических решеток, тогда как полые профили распространены в механических линейках. Треугольные профили направляют больше света, чем синусоидальные, и поэтому могут давать гораздо более яркие спектры.
Дифракционные решетки могут использоваться в очень широком спектре оптических экспериментов и приложений. Решетки часто используются для выбора длины волны лазера, сжатия импульсов, телекоммуникаций, лазерных сканеров и голограмм. Особенно интересно их использование при получении астрономических спектров и в космических экспериментах. Методы спектроскопии облегчают детальное изучение звезд и других объектов в космосе, учитывая, что каждый элемент в космосе имеет свой собственный уникальный дискретный спектр, основанный на его постоянстве.
Для астрономических изображений обычно требуются отражательные решетки для создания интерференции волн в УФ или инфракрасном диапазоне. Дифракционные решетки позволяют исследователям наблюдать и изучать такие важные области, как состав звезды, движение и температура.
Если вам понравилась эта статья, подпишитесь на нас в Facebook и добавьте FindLight в закладки, чтобы получать периодические обновления по интересным темам.
Теги: дифракционная решетка, спектрометр, спектроскопия, спектр
Типы дифракционных решеток и для чего они используются
Изображение предоставлено: https://www.opcolab.com/
Дифракционные решетки — это оптические устройства, которые используются в таких приборах, как спектрометры, для разделения полихроматического света на основные составляющие длины волн, из которых он состоит. Этот процесс рассеивает свет таким образом, что каждая длина волны направлена под другим углом в результате интерференционной картины, возникающей в результате отражения падающего света или прохождения через решетчатую структуру.
В этой статье мы рассмотрим различные типы существующих дифракционных решеток и обсудим их применение. Чтобы понять дифракционные решетки как продукт, будет полезно сначала рассмотреть, что такое дифракция и как дифракционная решетка функционирует для разделения различных длин волн света на пространственно отдельные компоненты, которые затем можно исследовать и анализировать.
Понимание дифракции и уравнения решетки
Мы знаем, что обычный белый свет полихроматичен, а это означает, что он состоит из световой энергии с разными длинами волн, которые наши глаза воспринимают как цвета. Призма — это оптический прибор, с помощью которого можно разделить белый свет на разные цвета. Процесс, посредством которого это происходит, известен как преломление.
Полихроматический свет также можно разделить на составляющие его цвета с помощью дифракции. Дифракция относится к тому факту, что когда свет от источника сталкивается с препятствием, прозрачным или непрозрачным, область волнового фронта света изменяется по амплитуде или фазе.
Сегменты волнового фронта, проходящие мимо препятствия, будут затем интерферировать друг с другом и создавать распределение плотности энергии в точке за препятствием, известное как дифракционная картина. Если непрозрачный экран оснащен регулярным рядом продолговатых отверстий или щелей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, то свет, падающий на этот экран, будет изменен, и отдельные волновые фронты, выходящие через каждую из щелей, будут конструктивно интерферировать и генерировать дифракционную картину. с пиками интенсивности, возникающими под определенными углами относительно плоскости экрана и угла падающей световой волны. Таким образом, дифракционная решетка представляет собой просто поверхность, снабженную серией щелей или линий, расположенных геометрически на одинаковом одинаковом расстоянии между каждой последующей щелью или канавкой.
Выяснилось, что дифракция может происходить как при пропускающем, так и при отражающем подходе — это означает, что не имеет значения, отражается ли падающий свет от решетки или проходит через решетку.
Когда решетка полностью прозрачна, амплитудная модуляция незначительна, а вместо нее возникает фазовая модуляция, в результате чего возникает так называемая фазовая решетка пропускания. Если конструкция решетки вместо этого напоминает ряд непрозрачных и прозрачных областей или щелей, то говорят, что решетка представляет собой решетку амплитуды пропускания. Если на дифракционной решетке используется отражающая поверхность, то такая решетка называется фазовой решеткой отражения.
Таким образом, дифракционная решетка служит устройством угловой дисперсии, а это означает, что она предназначена для разделения длин волн света в зависимости от угла, под которым они выходят из решетки. Дисперсия, возникающая в результате дифракционной решетки, выражается с помощью приведенного ниже уравнения решетки, которое связывает длину волны дифрагированного света с углами дифракции и падения света, направленного от решетки и к ней, а также с расстоянием между канавками:
В приведенном выше выражении:
- λ представляет собой длину волны дифрагированного света
- d представляет расстояние между штрихами или канавками, которые находятся на дифракционной решетке
- θ i угол падения волны, направленной на дифракционную решетку
- θ d угол дифракции света с длиной волны λ, который отражается или проходит через решетку
- n — целое число, обозначающее порядок дифракции
На рис.
1 ниже показаны углы световых волн и опорная линия их измерения, которая, как видно из рисунка ниже, является нормалью, проведенной относительно плоскости, представляющей поверхность дифракционной решетки. Случай, показанный ниже, относится к отражательному стилю дифракционной решетки.
Рисунок 1. Иллюстрация дифракционной решетки отражательного типа
Изображение предоставлено: https://andor.oxinst.com/
В приведенном выше уравнении решетки член n заслуживает дальнейшего пояснения. Термин n представляет целочисленное значение, которое означает, что угол дифракции θ d связан с целым кратным длины волны энергии дифрагированного света. Эти углы дифракции соответствуют так называемому порядку дифракции, и, поскольку n может быть положительным или отрицательным значением, порядок дифракции может иметь положительное или отрицательное значение. Ситуация, когда n = 0 (нулевой порядок), — это случай, когда дифракции не происходит, вместо этого падающий луч отражается от дифракционной решетки, поэтому угол падения θ i равно углу отражения θ d .
По соглашению знак порядка дифракции положительный, когда дифрагированный луч находится слева (или против часовой стрелки) от положения нулевого порядка, и отрицательный, когда он падает вправо (по часовой стрелке) от нулевого порядка. заказ. Если падающий пучок света, падающий на дифракционную решетку, является монохроматическим, то дифракционная картина будет давать распределение плотности энергии, происходящее под углами, соответствующими целочисленным значениям, таким как …-3, -2, -1, 0, 1 , 2, 3 и т. д. Для полихроматического света каждая отдельная длина волны будет генерировать дифракционную картину, удовлетворяя уравнению решетки, показанному выше, для определенного значения длины волны λ. На рисунке 2 ниже показан порядок дифракции для отражающей дифракционной решетки и полихроматического света, падающего на решетку. Обратите внимание, что на этой иллюстрации есть несколько различий в номенклатуре по сравнению с представлением, найденным в этой статье — то, что мы назвали n, обозначено m на рисунке 2; наш θ i помечен как α, а наш θ d помечен как β.
Однако смысл этих значений в терминах уравнения решетки одинаков.
Рисунок 2. Диаграмма, показывающая порядки дифрагированного света от решетки типа отражения
Изображение предоставлено: https://www.newport.com/
Типы дифракционных решеток
Дифракционные решеткидоступны в нескольких различных типах, которые кратко описаны ниже. Производители и поставщики предлагают множество стандартных решеток и решеток на заказ, воспроизведенных мастерами. С точки зрения конструкции наиболее распространенными типами дифракционных решеток являются линейчатые решетки и голографические решетки.
Линейчатые дифракционные решетки
Линейчатые решетки, также называемые полированными решетками, создаются с помощью линейного механизма, который представляет собой прецизионный станок, использующий инструмент с алмазным наконечником для печати или вырезания тонких параллельных линий на полированной поверхности. Так называемая эталонная решетка обычно создается путем нанесения покрытия из золота или алюминия с использованием процесса испарения на тщательно отполированную поверхность или подложку.
Затем алмазный инструмент вытачивает канавки на поверхности с высокой точностью, чтобы поддерживать абсолютную параллельность между последующими канавками, используя гетеродинную лазерную систему управления. Кроме параллелизма, профиль штриха должен сохраняться по всей поверхности дифракционной решетки. Такой инструмент, как атомно-силовой микроскоп или АСМ, используется для компенсации любого износа инструмента, который может возникнуть при прорезании рисунка канавки на поверхности подложки. Форма профиля, также называемая углом блеска, связана с диапазоном длин волн, для которого оптимизирована решетка.
Большое значение в конструкции дифракционной решетки имеет плотность штрихов (также называемая частотой штрихов), которая является обратной величиной расстояния между штрихами (параметр d в приведенном выше уравнении решетки). Это мера количества канавок, содержащихся в решетке на единицу длины. В дополнение к углу блеска плотность канавок эффективно определяет углы, при которых одна длина волны света будет конструктивно интерферировать, создавая распределение интенсивности света по порядкам дифракции.
Для повышения эффективности желательно иметь концентрат света в одном порядке, таком как дифракция первого порядка, в отличие от распределения по дифракциям более высокого порядка или концентрации в нулевом порядке. Регулировка угла свечения и плотности канавок может привести к более эффективной дифракционной картине для приложений. Это может включать регулировку профиля канавки, ее глубины и углов фаски. Длина волны, для которой была оптимизирована решетка, называется длиной волны блейза.
Тип линейчатой решетки, называемый решеткой Эшелле, представляет собой относительно ровную решетку, что означает низкую плотность штрихов. Эти типы решеток имеют большие углы блеска и используют более высокие порядки дифракции, преимуществом которых является высокая дисперсия и разрешение при компактной конструкции,
Голографические дифракционные решетки
Из-за характера производственного процесса линейчатые решетки могут страдать от периодических ошибок, ошибок зазоров и других нарушений, наличие которых может привести к рассеянному свету и ореолу.
Голографические решетки предназначены для решения некоторых из этих проблем за счет использования другого метода производства. Голографическая дифракционная решетка создается с использованием процесса интерференционной литографии. Эталонная решетка создается путем воздействия на светочувствительный материал двух интерферирующих лазерных лучей. Лучи создают интерференционную картину на подложке, которую затем можно обработать, чтобы получить синусоидальный рисунок канавок на поверхности. Слой фоторезиста покрывается металлическим слоем, который наносится методом вакуумного напыления. Из этого мастера можно создавать формы для создания копий решеток. Помимо традиционного синусоидального рисунка канавок, голографические полые решетки можно изготовить, взяв готовую голографическую решетку и бомбардировав ее наклонным пучком ионов, чтобы создать симметричную треугольную канавку или пилообразный профиль.
Голографические решетки используют оптическую технику для создания рисунка решетки и, таким образом, устраняют некоторые проблемы, которые могут возникнуть с линейчатыми решетками, такие как ореолы и большое количество рассеянного света.
В свое время они достигли этих целей, хотя в некоторых случаях и с меньшей эффективностью. Но введение сверкающих голографических дифракционных решеток означает, что высокая эффективность, обычно связанная с линейчатыми решетками, может быть достигнута и голографически.
Передающие и отражающие решетки
Как упоминалось ранее, дифракционные решетки можно охарактеризовать как решетки пропускания или отражения. Решетки пропускания создают картину дифракции после прохождения падающего света через решетку, где решетки отражения имеют картину дифракции света на той же стороне, что и падающий луч. Решетки отражения обычно имеют отражающее покрытие из алюминия или золота, в то время как решетки пропускания снабжены антиотражающим покрытием. Решетки пропускания, как правило, обеспечивают высокую эффективность и обеспечивают большую простоту юстировки в оптических системах по сравнению с решетками отражения.
Решетчатые профили обычно бывают плоскими или вогнутыми, однако существуют и другие возможные формы профилей, такие как выпуклые и тороидальные, выбор которых определяется конкретными условиями применения.
Применение дифракционных решеток
Дифракционные решетки имеют ряд применений, наиболее распространенными из которых являются монохроматоры и спектрометры. Монохроматоры используются для выбора узкой полосы света из гораздо более широкого диапазона доступных длин волн в источнике. Обычная разновидность этих устройств, известная как монохроматор Черни-Тернера, использует дифракционную решетку в сочетании с набором плоских и вогнутых зеркал для выбора длины волны. На рисунке 3 ниже показана основная концепция монохроматора.
Рисунок 3. Базовая структура монохроматора Черни-Тернера (обратите внимание на дифракционную решетку D)
Изображение предоставлено: https://link.springer.com/
Спектрометр, в частности оптический спектрометр, позволяет ученым и исследователям анализировать свет, испускаемый атомами образца материала, и, таким образом, получать знания о составляющих элементах, присутствующих в этом образце. Спектрометры используются в самых разных областях: от измерения содержания растворенного кислорода в морских экосистемах до изучения света, излучаемого далекими галактиками.
Помимо монохроматоров и спектрометров, дифракционные решетки могут использоваться в системах связи на оптической основе для разделения или объединения оптических сигналов или для сжатия или растяжения импульсов. Они также используются в лазерах для настройки длины волны, что означает создание выходного лазерного излучения, излучающего электромагнитную энергию желаемой частоты.
Дифракционные решетки также характеризуются определенной частотой или длиной волны света, для которых они предназначены. Сюда входят приложения для ближнего инфракрасного (NIR), среднего инфракрасного, видимого или ультрафиолетового (УФ) света.
Резюме
В этой статье представлен обзор типов дифракционных решеток, их применения и объяснение основного принципа дифракции в оптике. Для получения информации по другим темам обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70 000 различных категорий продуктов и услуг, включая поставщиков оптических дифракционных решеток.
