Принцип Гюйгенса–Френеля

Дифракция света

Явление огибания световыми волнами контуров непрозрачных тел называется дифракцией света. Дифракция проявляется в отклонении световых лучей от прямолинейного распространения и их загибании в область геометрической тени. В естественных условиях дифракция света приводит к тому, что границы тени предмета, освещаемого удаленным источником, видятся слегка нерезкими и размытыми.

Франческо Мария Гримальди (1618-1663), наблюдая тень, которую отбрасывают нить, обнаружил, что тень на экране шире, чем это должно быть согласно закону прямолинейного распространения света. Кроме этого, по обе стороны тени можно было наблюдать радужные полосы. Именно ему принадлежит авторство сравнения явления дифракции с камнем, брошенным в воду.

Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона, но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным. Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т. Юнгом.

Независимо от него 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. Принцип Гюйгенса в его первоначальном виде позволял находить только положения волновых фронтов в последующие моменты времени, т. е. определять направление распространения волны. По существу, это был принцип геометрической оптики. Гипотезу Гюйгенса об огибающей вторичных волн Френель заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом.

Однако только более чем через 100 лет мы встречаем упоминание о применении явления дифракции в конкретном приборе. Удалось это советскому ученому Линнику. Тогда, как другие пытались избавиться от явления дифракции, он применил ее свойства ее в интерферометре.

Принцип Гюйгенса–Френеля

Принцип Гюйгенса–Френеля является основным постулатом волновой теории, впервые позволившим объяснить дифракционные явления. Принцип представлял собой определенную гипотезу, но последующий опыт подтвердил ее справедливость. В ряде практически важных случаев решение дифракционных задач на основе этого принципа дает достаточно хороший результат. Рис. 1 иллюстрирует принцип Гюйгенса–Френеля.

Рисунок 1. Принцип Гюйгенса–Френеля. ΔS1 и ΔS2 – элементы волнового фронта, и – нормали.

Пусть поверхность S представляет собой положение волнового фронта в некоторый момент. Для того чтобы определить колебания в некоторой точке P, вызванное волной, по Френелю нужно сначала определить колебания, вызываемые в этой точке отдельными вторичными волнами, приходящими в нее от всех элементов поверхности S (ΔS1, ΔS2 и т. д.), и затем сложить эти колебания с учетом их амплитуд и фаз. При этом следует учитывать только те элементы волновой поверхности S, которые не загораживаются каким-либо препятствием.

Итак: 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.