Дифракційні грати
Для дослідження спектральних властивостей (реєстрації спектру) різних джерел світла застосовуються спектральні прилади – спектроскопи, спектрографи та спектрометри. Спектроскоп (англ. spectroscope) призначений для візуального спостереження спектрів, спектрограф (англ. spectrograph) – для фотографування спектрів, спектрометр (англ. spectrometer) – для визначення положення окремих спектральних ліній або реєстрації спектра у вигляді кривої. Ось як ці терміни трактуються в "Словнику іноземних слів", виданому в Москві в 1954:
Як зробити спектроскоп своїми руками?
Дифракційні грати - природні та штучні
Одним із способів спостереження спектрального складу світла є використання дифракційної решітки, що є поверхнею, на яку нанесено велике число регулярно (через крок решітки $b$) розташованих штрихів/щілин/виступів. На дифракційних гратах спостерігається явище дифракції на щілини (дифракція Фраунгофера) - відхилення від законів геометричної оптики.
Вперше дифракційні ґрати застосував Джеймс Грегорі (James Gregory), який використовував як ґрати пташине перо. Він пропускав через перо сонячне світло і побачив його розкладання на кольори. Також кольори крил багатьох метеликів обумовлені явищем дифракції.
Штучну дифракційну решітку площею 0,5 кв. дюйма вперше створив винахідник з Філадельфії Девід Ріттенхаус (David Rittenhouse) в 1875 році - з 50 натягнутих волосків (крок грат склав 250 мкм), причому він зміг спостерігати спектри шостого порядку.
А ось як описано прояви дифракції в побуті в енциклопедичному.словники Брокгауза та Єфрона:
На аукціоні ebay продаються дифракційні голографічні грати з кроком 1, 2 та 1,88 мкм:
DVD як дифракційна решітка
Але дифракційну решітку можна зробити і самому. DVD-диск!
Диск DVD+R (DVD+RW) складається з двох шарів: оптичного (2) і відбиває (1).
Я поділив їх за допомогою ножа:
У DVD-R диску шари мають чітку межу між ними і досить легко відокремлюються один від одного, на відміну від CD-R диска:
Як дифракційні грати (англ. diffraction grating) можна використовувати як оптичний (на пропускання - прозорі грати, англ. transmission grating), так і відбиває (на відображення - відбивні грати, англ. reflective grating) шари.
Постійна решітки (крок між штрихами) для DVD-диска становить 0,74 мкм (для CD-диска - 1,6 мкм).
Я вирізав із оптичного шару диска DVD+R фрагмент, отримавши імпровізовану прозору дифракційну решітку:
Спостерігати дифракцію можна, спрямувавши цей фрагмент (3) промінь (2) від лазерної указки(1). При цьому на екрані з'являються не одна, а три плями – максимуму (4,5,6):
5 - пляма нульового порядку; 6 - плями першого порядку
При падінні на решітку променя з довжиною хвилі $\lambda$ під кутом $i$ до нормалі решітки максимуми виходять під кутами $\theta$, що визначаються співвідношенням: $k \lambda = b (sin i + sin \theta)$ , де $k$ - порядок спектру, $b$ - постійні грати (крок між штрихами). Для випадку падіння променя світла під прямим кутом формула перетворюється на вигляд: $k \lambda = b sin \theta$, що для плями першого порядку дає вираз $\lambda = b sin \theta$.
Ось як це виглядає в реальності (я використав "зелену")лазерну указку з довжиною хвилі 532 нм):
На відстані 43 см від решітки до екрану відстань від центральної до крайньої плями становить 38,5 см, що відповідає куту 42°. Перевірка дає кут, що дорівнює 46°. Це практичнозбігаєтьсяз експериментальним результатом!
Дифракційні плями від випромінювання червоного лазера віддалені від центральної плями на більшу відстань, що узгоджується з вищенаведеною формулою (довжина світлової хвилі червоного лазера більше, ніж зеленого).
Викривлення ліній спектру обумовлено кривизною борозенок на поверхні оптичного шару DVD-диска.
Повертаючи імпровізовану дифракційну решітку, можна вибрати оптимальний вид та положення спектру.
Спостерігалися мною спектри джерел світла
Ось так виглядають спектри різних джерел, які я отримав за допомогою вирізаного фрагмента оптичного шару DVD+R-диска:
спектр сонячного світла
спектр, як і слід очікувати, безперервний у всій видимій області (від фіолетового до червоного кольорів):
спектр сонячного світла, відбитого від Місяця:
спектр полум'я сірника
безперервний спектр
спектри ламп розжарювання
спектр також безперервний, як і спектр сонячного світла:
спектри ламп денного світла (люмінесцентних ламп)
лампа денного світла:
при обертанні імпровізованої дифракційної решітки спектр перетворюється на смужку, на якій виділяються дві лінії - у фіолетовій та зеленій ділянці спектра:
спектри КЛЛ (компактних люмінесцентних ламп)
спектр дискретний (виразно виднокілька повторюваних контурів спірального корпусу лампи):
Колба зсередини покрита люмінофорами, які під дією ультрафіолетового випромінювання від розряду в лампі випромінюють видиме світло (кожен люмінофор - у своїй смузі спектра, зазвичай застосовуються три або чотири люмінофора).
Ось як виглядає спектр випромінювання КЛЛ з колірною температурою 4000 K у великому масштабі:
Порівняльна таблиця спектрів КЛЛ із різною колірною температурою: