Дифракційна ґратка

Коротко

• Кут, під яким іде дифрагований промінь, залежить від довжини хвилі, тож біле світло розкладається в спектр.
• Бувають прозорі (світло проходить крізь ґратку) і відбивні (штрихи на дзеркальній поверхні).
• Перша ґратка — Девіда Ріттенгауса (близько 1785 року); якісні ґратки для спектроскопії створив Йозеф Фраунгофер.
• Основний елемент спектрометрів і монохроматорів; райдужний відблиск компакт-диска — той самий ефект.

Якщо глянути на розжарену лампочку крізь дифракційну ґратку, по боках від неї з’являться кілька райдужних смуг, одна за одною. Кожна — це окремий порядок дифракції. Таким нескладним на вигляд пристроєм фізики й астрономи понад два століття розкладають світло зір, полум’я й газів, щоб дізнатися їхній склад.

Як працює

Найпростіша ґратка — скляна пластинка з нанесеними паралельними рівновіддаленими штрихами, ширина яких і відстань між якими сумірні з довжиною світлової хвилі. Її можна уявити як ряд прозорих щілин, розділених однаковими непрозорими проміжками.

Кожна точка щілини стає вторинним джерелом хвиль, які розходяться в різні боки. Хвилі від сусідніх щілин інтерферують: там, де вони збігаються за фазою, підсилюють одна одну, де в протифазі — гасять. Напрямки підсилення називають дифракційними максимумами й нумерують цілими числами — порядками дифракції m.

Ці напрямки описує рівняння ґратки:

d (sin θₘ + sin θᵢ) = mλ,

де d — період ґратки, θᵢ — кут падіння світла, θₘ — кут дифракції m-го порядку, λ — довжина хвилі. З рівняння видно, що кут дифракції залежить від довжини хвилі. Тому біле світло ґратка розкладає в спектр.

Ґратки зазвичай характеризують густиною штрихів — кількістю на міліметр. Для оптичного діапазону вона коливається від кількох десятків до кількох тисяч штрихів на міліметр.

Види

• за дією на хвилю — амплітудні, фазові й амплітудно-фазові;
• за геометрією — прозорі й відбивні, плоскі й увігнуті;
• за виготовленням — механічно нарізні, голографічні та літографічні.

Історія

Першу штучну ґратку близько 1785 року виготовив американський астроном Девід Ріттенгаус: він натягнув волосини між двома гвинтами з дрібною різьбою (опис вийшов 1786 року). 1821 року, нічого не знаючи про нього, за ґратки взявся Йозеф Фраунгофер. Він отримав ґратки такої якості, що зміг вивчити темні лінії сонячного спектра, які тепер звуться фраунгоферовими, і вивів рівняння дисперсії ґратки.

У середині XIX століття найкращі ґратки з дрібним періодом виготовляв прусський майстер Фрідріх Адольф Ноберт із Грайфсвальда. Близько 1870 року нью-йоркський адвокат і аматор астрономії Льюїс Резерфорд навчився нарізати відбивні ґратки на дзеркальній бронзі. Справжній прорив зробив професор Університету Джонса Гопкінса Генрі Роуленд: він збудував точні ділильні машини й винайшов увігнуту ґратку. Після нього ґратка остаточно стала головним елементом спектральних приладів.

Запитання

Чим дифракційна ґратка відрізняється від призми?

Обидві розкладають світло в спектр, але різними способами. Призма заломлює промені, і різні кольори відхиляються по-різному через дисперсію скла. Ґратка використовує дифракцію та інтерференцію хвиль на періодичній структурі, тож кут відхилення пов’язаний з довжиною хвилі простим рівнянням. Для спектроскопії ґратки здебільшого зручніші за призми.

Чому компакт-диск переливається веселкою?

На його поверхні дуже щільно розташовані доріжки даних. Вони діють як відбивна дифракційна ґратка, тільки спіральна, а не з прямими штрихами, і розкладають біле світло на кольори.

Див. також

• Геометрична оптика Промінь — лінія, вздовж якої поширюється світлова енергія; у хвильовій картині він перпендикулярний до хвильових фронтів.
• Астрограф Дає велике, рівне й неспотворене зображення поля неба на фотопластинці, а нині — на ПЗЗ-матриці.
• Астигматизм В оптиці — аберація, через яку точка поза оптичною віссю дає два взаємно перпендикулярні відрізки на різних відстанях від лінзи.
• Розділ «Оптика» Усі статті підрозділу «Оптика».

Джерела

1. Дифракційна ґратка — Вікіпедія (українська)
2. Diffraction grating — Wikipedia (англійська)

Статтю написано редакцією словника за наведеними джерелами; дати й факти звірено між ними. Якщо джерела розходяться, це сказано в тексті.