16. Dyfrakcja i polaryzacja fal – na czym polegają

te zjawiska, polaryzacja dotyczy tylko fal

poprzecznych.



Dyfrakcja (ugięcie fali) to

zjawisko fizyczne

zmiany kierunku rozchodzenia się

fali

na

krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu.
Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości
przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla
przeszkód o rozmiarach porównywalnych z

długością fali

.

Dyfrakcja używana jest do badania fal oraz
obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i
kryształów, ogranicza jednak zdolnośd rozdzielczą
układów optycznych.

Jeżeli wiązka fal przechodzi przez szczelinę lub
omija obiekt, to zachodzi

zjawisko

ugięcia. Zgodnie

z

zasadą Huygensa

fala rozchodzi się w ten

sposób, że każdy punkt fali staje się nowym
źródłem fali kulistej. Za przeszkodą fale nakładają
się na siebie zgodnie z zasadą

superpozycji

. Przy

spełnieniu pewnych warunków za przeszkodą
pojawiają się obszary wzmocnienia i osłabienia
rozchodzących się fal (

interferencja

).

Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich
rodzajów fal np.

fal elektromagnetycznych

,

fal

dźwiękowych

oraz

fal materii

.

Jeden z najprostszych przykładów zjawiska
dyfrakcji zachodzi, gdy równoległa wiązka

światła

(np z

lasera

) przechodzi przez wąską pojedynczą

szczelinę zwaną

szczeliną dyfrakcyjną

. Zgodnie z

zasadą Huygensa każdy punkt szczeliny o
szerokości d, jest nowym źródłem fali. Między
źródłami zachodzi

interferencja

, co powoduje

wzmacnianie i osłabianie światła rozchodzącego
się w różnych kierunkach.

Ugięcie fali występuje tym wyraźniej, im mniejsze
są wymiary szczeliny w stosunku do długości
padającej fali; jeżeli otwór jest bardzo szeroki
zjawisko praktyczne nie występuje.



Zasada Huygensa (1690): Każdy punkt

ośrodka sprężystego po dojściu do niego
zaburzenia (czoła fali) staje się źródłem wtórnej
fali (płaskiej, kolistej, kulistej)

Dyfrakcja na podwójnej

szczelinie



Polaryzacja fali - właściwośd

fali poprzecznej

polegająca na zmianach kierunku

oscylacji

rozchodzącego się zaburzenia w określony
sposób.

W poprzecznej fali niespolaryzowanej oscylacje
rozchodzącego się zaburzenia zachodzą z
jednakową amplitudą we wszystkich kierunkach
prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali.
Fala niespolaryzowana może byd więc traktowana
jako złożenie bardzo wielu fal spolaryzowanych w
różny sposób.

Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących
się w warunkach, w których oscylacje mogą
odbywad się w różnych kierunkach prostopadłych
do kierunku rozchodzenia się fali. Gdy jest to
niemożliwe, rozważanie zjawiska polaryzacji nie
ma sensu. Dotyczy to na przykład drgao

rozchodzących się na powierzchni

membrany

i na

granicach ośrodków o różnej gęstości (między
innymi

fale morskie

).

Fale dźwiękowe

również nie

podlegają zjawisku polaryzacji, gdyż są

falami

podłużnymi

.

W zależności od kierunku oscylacji zaburzenia
rozróżnia się wiele typów polaryzacji. W
przypadku

fali elektromagnetycznej

rozchodzą się

oscylacje zarówno pola magnetycznego, jak i
elektrycznego.



Polaryzacja liniowa

W fali spolaryzowanej liniowo oscylacje
zaburzenia odbywają się w jednej płaszczyźnie, w
kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia
się fali.



Polaryzacja kołowa

W polaryzacji kołowej rozchodzące się zaburzenie
(na przykład

pole elektryczne

lub odchylenie

cząstki ośrodka materialnego od położenia
równowagi) określane wzdłuż kierunku ruchu fali
ma zawsze taką samą wartośd, ale jego kierunek
się zmienia. Kierunek zmian jest taki, że w
ustalonym punkcie przestrzeni koniec wektora

opisującego zaburzenie zatacza okrąg w czasie
jednego okresu fali.

Taki ruch po okręgu można rozłożyd na dwa
drgania harmoniczne o jednakowych amplitudach,
ale o fazach przesuniętych o 90° lub 270° (-90°). W
zależności do tego, czy fazy są przesunięte o 90°
czy 270°, mówi się o polaryzacji kołowej
prawoskrętnej lub polaryzacji kołowej
lewoskrętnej. Wektor opisujący zaburzenie obraca
się wtedy albo w prawo, albo w lewo.

Falę spolaryzowaną kołowo można otrzymad przez
złożenie dwóch fal o jednakowych amplitudach i
częstotliwościach, rozchodzących się w tym
samym kierunku, spolaryzowanych liniowo w
kierunkach wzajemnie prostopadłych, a
przesuniętych w fazie o odpowiedni kąt.



Polaryzacja eliptyczna

W polaryzacji eliptycznej rozchodzące się
zaburzenie określane wzdłuż kierunku ruchu fali
ma zawsze wartośd i kierunek taki, że w ustalonym
punkcie przestrzeni koniec wektora opisującego
zaburzenie zatacza elipsę.

Falę spolaryzowaną eliptycznie można otrzymad
przez złożenie dwóch fal o jednakowych
częstotliwościach, rozchodzących się w tym
samym kierunku, spolaryzowanych liniowo w
kierunkach wzajemnie prostopadłych,
przesuniętych w fazie o odpowiedni kąt, ale o
różnych amplitudach. Można ją także otrzymad
jako złożenie fal o polaryzacji liniowej i kołowej.

Zarówno polaryzacja liniowa, jak i kołowa to
szczególne przypadki polaryzacji eliptycznej.



Filtr

polaryzacyjny

ma

zdolnośd

do

przepuszczania tylko fal świetlnych o polaryzacji
liniowej. Kierunek tej polaryzacji jest stały i ściśle

związany z konstrukcją filtra. Jeżeli przepuści się
światło niespolaryzowane przez dwa takie filtry i
zacznie je obracad, to światło na zmianę będzie
przygasad oraz rozbłyskad.
Kiedy dwa filtry polaryzacyjne są ustawione tak, że
przepuszczają

tylko

fale

oscylujące

w

prostopadłych płaszczyznach, to światło nie
przechodzi. Jeżeli płaszczyzny polaryzacji są takie
same, to efekt jest taki jak dla jednego filtra.
Filtry polaryzacyjne są stosowane np. w okularach
przeciwsłonecznych, gdzie zmniejszają jasnośd
nieba w słoneczny dzieo, blokują spolaryzowane
światło odbite od poziomych płaszczyzn (szyb,
luster itp.)