Не секрет, що поряд з відчутною матерією нас оточують і хвильові поля зі своїми процесами і законами. Це можуть бути і електромагнітні, і звукові, і світлові коливання, які нерозривно пов`язані з видимим світом, взаємодіють з ним і впливають на нього. Такі процеси і впливу здавна вивчалися різними вченими, яка вивела основні закони, актуальні й донині. Однією з широко застосовуваних форм взаємодії матерії і хвилі є дифракція, вивчення якої призвело до виникнення такого пристрою, як дифракційна решітка, яка отримала широке застосування і в приладах для подальшого дослідження хвильового випромінювання, і в побуті.
поняття дифракції
Дифракцією називають процес огибания світловими, звуковими і іншими хвилями якої-небудь перешкоди, що зустрівся на їхньому шляху. Більш узагальнено цим терміном можна назвати будь-яке відхилення розповсюдження хвиль від законів геометричної оптики, що відбувається поблизу перешкод. За рахунок явища дифракції хвилі потрапляють в область геометричної тіні, огинають перешкоди, проникають крізь маленькі отвори в екранах та інше. Наприклад, можна добре почути звук, перебуваючи за рогом будинку, в результаті того, що звукова хвиля огинає його. Дифракція світлових променів проявляється в тому, що область тіні не відповідає пропускного отвору або наявного перешкоди. Саме на цьому явищі заснований принцип дії дифракційної решітки. Тому дослідження даних понять невіддільне один від одного.
Поняття дифракційної решітки
Дифракційна решітка є оптичним пристроєм, що представляє собою періодичну структуру, що складається з великого числа дуже вузьких щілин, розділених непрозорими проміжками.
Інший варіант цього пристрою - сукупність паралельних мікроскопічних штрихів, які мають однакову форму, нанесених на увігнуту або плоску оптичну поверхню з однаковим заданим кроком. При падінні на решітку світлових хвиль відбувається процес перерозподілу хвильового фронту в просторі, що обумовлено явищем дифракції. Тобто білий світ розкладається на окремі хвилі, що мають різну довжину, що залежить від спектральних характеристик дифракційної решітки. Найчастіше для роботи з видимим діапазоном спектру (з довжиною хвиль 390-780 нм) використовують пристрої, що мають від 300 до 1600 штрихів на один міліметр. На практиці решітка виглядає як плоска скляна або металева поверхня з нанесеними з певним інтервалом шорсткими борозенками (штрихами), які не пропускають світло. За допомогою скляних решіток спостереження ведуть і в прохідному, і у відбитому світлі, за допомогою металевих - тільки у відбитому.
види решіток
Як вже було сказано, за вживаним при виготовленні матеріалу і особливостям використання виділяють дифракційні решітки відбивні і прозорі. До перших відносяться пристрої, що представляють собою металеву дзеркальну поверхню з нанесеними штрихами, які застосовують для спостережень у відбитому світлі. У прозорих гратах штрихи наносять на спеціальну оптичну, пропускає промені поверхню (плоску або увігнуту), або ж вирізаються вузькі щілини в непрозорому матеріалі. Дослідження при застосуванні таких пристроїв проводять в прохідному світлі. Прикладом грубої дифракційної решітки в природі можна вважати вії. Дивлячись крізь примружені повіки, можна в якийсь момент побачити спектральні лінії.
Принцип дії
Робота дифракційної решітки заснована на явищі дифракції світлової хвилі, яка, проходячи через систему прозорих і непрозорих областей, розбивається на відокремлені пучки когерентного світла. Вони зазнають дифракцію на штрихах. І при цьому интерферируют один з одним. кожна довжина хвилі має свою величину кута дифракції, тому відбувається розкладання білого світла в спектр.
Роздільна здатність дифракційної решітки
Будучи оптичним пристроєм, що застосовуються в спектральних приладах, вона має низку характеристик, що визначають її використання. Одне з таких властивостей - роздільна здатність, яка полягає в можливості роздільного спостереження двох спектральних ліній, що володіють близькою довжиною хвиль. Підвищення цієї характеристики домагаються збільшенням загальної кількості штрихів, наявних в дифракційної решітці.
В хорошому пристрої число штрихів на один міліметр досягає 500, тобто при загальній довжині решітки 100 міліметрів повне кількість штрихів складе 50 000. Така цифра допоможе домогтися більш вузьких інтерференційних максимумів, що дозволить виділити близькі спектральні лінії.
Застосування дифракційних решіток
За допомогою даного оптичного пристрою можна точно визначити довжину хвилі, тому його застосовують як диспергирующий елемент в спектральних приладах різного призначення. Дифракційна решітка застосовується для виділення монохроматичного світла (в монохроматорах, спектрофотометрах та інших), в якості оптичного датчика лінійних або кутових переміщень (так звана вимірювальна решітка), в поляризаторах і оптичних фільтрах, в якості подільника пучків випромінювання в інтерферометрі, а також в антивідблисків окулярах .
У побуті досить часто можна зіткнутися з прикладами дифракційних решіток. Найпростішою з відбивних можна вважати нарізку компакт-дисків, так як на їх поверхню по спіралі нанесена доріжка з кроком 1,6 мкм між витками. Третя частина ширини (0,5 мкм) такої доріжки доводиться на поглиблення (де міститься записана інформація), що розсіює падаюче світло, а близько двох третин (1,1 мкм) займає незаймана підкладка, здатна відбивати промені. Отже, компакт-диск є відбивної дифракційної гратами з періодом 1,6 мкм. Іншим прикладом такого пристрою є голограми різного виду і напрямки застосування.
виготовлення
Для отримання якісної дифракційної решітки необхідно дотримуватися дуже високу точність виготовлення. Помилка при нанесенні хоч одного штриха або щілини призводить до миттєвої вибракування вироби. Для процесу виготовлення застосовується особлива делительная машина з алмазними різцями, що кріпиться до спеціального масивного фундаменту. До початку процесу нарізки решітки це обладнання повинно пропрацювати від 5 до 20 годин в холостому режимі, щоб стабілізувати всі вузли. Виготовлення однієї дифракційної решітки займає майже 7 діб. Незважаючи на те що нанесення кожного штриха відбувається всього лише за 3 секунди. Грати при такому виготовленні володіють равноотстающімі один від одного паралельними штрихами, форма перетину яких залежить від профілю алмазного різця.
Сучасні дифракційні решітки для спектральних приладів
В даний час набула поширення нова технологія їх виготовлення за допомогою освіти на особливих світлочутливих матеріалах, званих фоторезистом, інтерференційної картини, що отримується від випромінювання лазерів. В результаті випускається продукція з голографічним ефектом. Наносити штрихи подібним чином можна на рівну поверхню, отримуючи плоску дифракційну решітку або увігнуту сферичну, що дасть увігнуте пристрій, що має фокусує дію. У конструкції сучасних спектральних приладів застосовуються і ті і інші.
Таким чином, явище дифракції поширене в повсякденному житті повсюдно. Це обумовлює широке застосування такого заснованого на даному процесі пристрою, як дифракційна решітка. Вона може як стати частиною науково-дослідного устаткування, так і зустрітися побуті, наприклад, в якості основи голографічної продукції.
