הפרעות עקיפה

התאבכות ועקיפה הן תופעות אופייניות לכל הגלים, מגלי מים ועד גלים אלקטרומגנטיים כמו אור.

התאבכות מתייחסת לתופעה שבה שני גלים מאותו סוג חופפים כדי לייצר כתוצאה מכך גל גדול יותר, נמוך יותר או אותה משרעת.

עקיפה מוגדרת ככיפוף של גל סביב פינות מכשול או צמצם. במקרה זה, חלקים דיפרנציאליים של הגל יכולים להפריע ולהוליד חילופין מרחבי של משרעת גדולה וקטנה.

סרטון זה ידגים את אופי הגל של האור על ידי התבוננות בדפוסי עקיפה והתאבדות.

גל הוא תנודה במשרעת של כמות פיזיקלית כלשהי במרחב ו/או בזמן. הפרעה היא אחת התופעות האופייניות ביותר הקשורות לגלים.

חלקים שונים של גלים יכולים לחפוף ו"להפריע" כדי לייצר חילופין מרחבי של אמפליטודות גל חזקות וחלשות, הנקרא דפוס התאבכות. כאשר משרעות הגלים המפריעים מצטברות, זה נקרא הפרעה קונסטרוקטיבית; ואילו כאשר המשרעות שלהם גורעות זו מזו, זה נקרא הפרעה הרסנית.

כעת, אם אור באורך גל של למדה מוקרן על חריץ צר אחד, העוצמה הרחק מהחריץ מתחלפת בין ערכים גדולים וקטנים או כמעט אפס, המתאימים לאזורים "בהירים" ו"כהים", הידועים גם כ"שוליים". מרכז תבנית זו תמיד בהיר, לאורך ציר ה-y של החריץ.

החלפה זו ידועה בשם "דפוס העקיפה" של האור דרך צמצם קטן. זוהי תופעה אופיינית לגלים. ספציפית, נקודות בין שני קצוות הצמצם?" לפלוט מחדש", או במילים אחרות "לעקוף" את גל האור לכיוונים שונים.

הפרעה בין חלקים שונים של גלי האור העקיפה גורמת להיווצרות דפוס העקיפה.

במקרה של שני חריצים המרוחקים זה מזה, התבנית שנוצרה, הידועה בשם "תבנית ההתאבכות הכפולה של יאנג", נובעת מהפרעות האור העקיפה משני החריצים. הפרוטוקול הבא מדגים כיצד להגדיר את ניסויי החריץ היחיד והחריץ הכפול ולפרש את תוצאותיהם.

אסוף את החומרים והמכשירים הדרושים לניסוי כולל מצביע לייזר הליום-ניאון באורך גל ~633 ננומטר, כמה סכיני גילוח דקים, נייר אלומיניום, קרטון, סרגל, זוג מספריים, גוש עץ ומשקפי בטיחות לייזר.

בעזרת מספריים חותכים את נייר האלומיניום לשתי חתיכות מרובעות בגודל של כ -2 אינץ 'על 2 אינץ '. כמו כן, חותכים את הקרטון לשתי חתיכות מרובעות בגודל של כ-3 אינץ' על 3 אינץ' עם חור בקוטר של כ-1 אינץ' במרכז.

לאחר מכן, קח חתיכה אחת של נייר אלומיניום, ובעזרת סכין גילוח, חתוך חריץ ישר באורך של כסנטימטר אחד באמצע נייר הכסף. הדביקו את נייר הכסף על קרטון אחד כשהחריץ ממוקם בתוך החור.

כעת, הדביקו קצה אחד של הקרטון לגוש העץ והחליקו את הקיר הלבן במרחק של כ-30 סנטימטרים מהחריץ. וודאו שהקרטון מאונך למשטח השולחן, והחור והחריץ האנכי חשופים ופונים לקיר.

הנח את מצביע הלייזר בצד השני של הקרטון המותקן תוך הקפדה על כך שקרן הלייזר תהיה מקבילה לשולחן. כעת הרכיבו את משקפי הבטיחות בלייזר, הפעילו את מצביע הלייזר והאירו את קרן הלייזר על החריץ.

כבה את אור החדר והתבונן בדפוס האור על הקיר בצד השני של נייר הכסף. כבה את מצביע הלייזר והסר את משקפי הבטיחות בלייזר.

לאחר מכן, ערמו שלושה סכיני גילוח כך שהלהב האמצעי יהיה שקוע. קח את נייר האלומיניום השני ובעזרת ערימת סכיני הגילוח וסרגל חתך שני חריצים מקבילים ישרים המרוחקים זה מזה, באורך של כסנטימטר אחד באמצע נייר הכסף. כעת הדביקו את נייר הכסף על הקרטון השני ואז הדביקו אותו על גוש העץ כמו קודם.

הרכיבו את משקפי הבטיחות בלייזר, הפעילו את מצביע הלייזר והאירו את קרן הלייזר על החריץ הכפול. כבה את אור החדר והתבונן בדפוס האור על הקיר בצד השני של נייר הכסף. לבסוף, כבה את מצביע הלייזר.

עם השלמת הפרוטוקול, הבה נסקור כעת את התוצאות של ניסויי החריץ היחיד והחריץ הכפול. בניסוי החריץ היחיד, דפוס האור שנצפה על הקיר מציג את שולי העקיפה האופייניים. השוליים הבהירים המרכזיים רחבים בערך פי שניים, בכיוון y, משאר השוליים הבהירים שכולם באותו רוחב.

בנוסף, עוצמת השוליים הבהירים מתפרקת מהמרכז לשוליים ההיקפיים לאורך ציר ה-y. זה צפוי עבור דפוס עקיפה של חריץ בודד, שכן קרני האור המקבילות מהלייזר מתכופפות בחריץ וחופפות באופן קונסטרוקטיבי, יוצרות את השוליים הבהירים ויוצרות באופן הרסני את הרצועות הכהות שביניהם.

בניסוי החריץ הכפול, דפוס האור שנצפה על הקיר מציג את שולי ההפרעה האופייניים.

שולי ההתאבכות הללו צרים בהרבה מהאזורים הבהירים של תבנית העקיפה. הסיבה לכך היא שההפרדה בין החריצים 'd' גדולה בהרבה מרוחב החריץ 'a', והיא ההדדית של ההפרדה בין החריצים ששולטת ברוחב שולי ההפרעה. עם זאת, ההדדיות של רוחב החריץ 'a' היא ששולטת ברוחב שולי העקיפה.

העקיפה וההפרעה של האור מילאו תפקיד חיוני בקביעה שהאור הוא גל אלקטרומגנטי. לפיכך, השפעות אלו חשובות בטכנולוגיות רבות המבוססות על אופטיקה ופוטוניקה.

ספקטרוסקופיה של עקיפה בלייזר, היא טכנולוגיה המשתמשת בדפוסי עקיפה של קרן לייזר המועברת דרך כל אובייקט - החל מננומטר ועד מילימטר בגודל - כדי למדוד במהירות ממדים גיאומטריים של חלקיק.

חיישן משמש לזיהוי זווית אור הלייזר ולאחר מכן נעשה שימוש במחשב כדי לזהות את גדלי החלקיקים של האובייקט מאנרגיית האור המופקת והפריסה שלו.

אינטרפרומטריה היא טכניקה המשתמשת בסופרפוזיציה והפרעות של גלים למדידה מדויקת של מרחקים, תזוזות קטנות, שינויים במקדם השבירה ואי סדירות פני השטח.

כאן שני גלים באותו תדר, אך אורך נתיב שונה מפריעים, מה שמביא לדפוס התאבכות. לאחר מכן ניתן להשתמש בתבנית זו כדי לבצע מדידה מדויקת של הפרמטר הלא ידוע. אותה טכניקה של אינטרפרומטריה משמשת ב-LIGO או במצפה גלי הכבידה של אינטרפרומטר לייזר, שהם גלאים ענקיים שנבנו כדי לזהות גלי כבידה.

זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE לעקיפה והפרעות של אור. כעת אתה אמור להיות מסוגל להבין את התיאוריה מאחורי היווצרות דפוסי אור עקיפה והפרעות, שהודגמה באמצעות ניסויי חריץ יחיד וחריץ כפול. תודה שצפית!