Волновая Оптика⁠⁠

Это видео из моего модуля Wave Optics - симуляции интерференции и дифракции света на одной щели, двух щелях и дифракционной решётке.

Здесь свет представлен именно как волна. Снизу на экран с прорезями приходит плоская волна, проходит через открытые щели и дальше распространяется уже от каждой из них. Волны накладываются друг на друга: там, где их фазы совпадают, они усиливаются, а там, где приходят в противофазе, гасят друг друга. Так постепенно и появляется интерференционная картина.

Самое интересное, что полосы на экране здесь не нарисованы заранее по готовой формуле. В режиме Live Field программа численно решает двумерное волновое уравнение на сетке и показывает, как волна действительно проходит через щели, расходится за ними и интерферирует. Интенсивность на экране тоже измеряется из этого поля - программа некоторое время накапливает квадрат амплитуды пришедшей волны, примерно как при длительной экспозиции фотопластинки.

Одновременно поверх результата остаётся аналитическое решение для дифракции Фраунгофера. Поэтому можно прямо сравнить то, что получилось из распространяющихся волн, с тем, что предсказывает формула для дальней зоны. Если экран достаточно далеко и условия близки к режиму Фраунгофера, результаты совпадают. Если геометрия начинает уходить в ближнюю зону, появляются отличия - фактически становится виден переход к дифракции Френеля.

С одной щелью получается широкая дифракционная картина с центральным максимумом и более слабыми боковыми полосами. Добавляем вторую щель - и внутри этой общей огибающей появляется частая интерференционная структура. А если увеличить число щелей до нескольких или даже нескольких десятков, система превращается в дифракционную решётку: максимумы становятся всё более узкими и резкими.

Можно менять длину волны, ширину щелей, расстояние между ними и их количество. Все эти параметры непосредственно меняют картину. Увеличение длины волны раздвигает максимумы, изменение ширины щели меняет общую дифракционную огибающую, а увеличение числа щелей делает главные линии решётки намного резче.

Есть и ещё один красивый эффект - «пропавшие порядки». Положения максимумов решётки и минимумов дифракции одной щели определяются разными условиями. Иногда они совпадают: решётка пытается создать яркий максимум именно там, где одна щель даёт нулевую интенсивность. В результате этот порядок просто исчезает.

Цвет света тоже связан с выбранной длиной волны. Программа переводит её в видимый цвет через модель цветового восприятия, поэтому при изменении длины волны меняется не только геометрия картины, но и её цвет.

В итоге здесь одновременно можно увидеть две стороны одной и той же физики: сверху - как волны реально распространяются и интерферируют после щелей, а на экране - к какой распределённой интенсивности всё это в результате приводит.

Доступно на Steam: https://store.steampowered.com/app/4861360/Makarov_Physics_S...