6.10. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ ДИФРАКЦИИ НА ИДЕАЛЬНО ПРОВОДЯЩИХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТКАХ
В истории физики дифракционные решетки выступают как одни из самых незаменимых инструментов. До 1891 г., когда Майкельсон изобрел интерферометр, названный его именем, дифракционные решетки были единственным инструментом, с помощью которого измерялись характеристические длины волн атомных спектров.
Дифракционные решетки, как известно, были изобретены американским астрономом Дэвидом Рнттенхаузом примерно в 1785 г. и несколькими годами позже независимо Йозефом фон Фраунгофером, который опубликовал свои оригинальные исследования лишь в 1819 г. В ранних конструкциях дифракционная решетка представляла собой ряд очень тонких проволочек или нитей, навитых на два параллельных винта, которые выполняли роль рдспорок. Эта конструкция представляла собой как бы многократно повторенную в пространстве щель, на
которой модуляция падающего волнового фронта осуществляется при помощи чередующихся прозрачных и непрозрачных участков.
Более распространенными являются решетки, выполненные путем нанесения алмазным резцом тончайших канавок на поверхность стекла для пропускающих решеток или на зеркальные металлические поверхности для отражательных решеток. В недалеком прошлом отражательные решетки изготовлялись на зеркальном Металле, представляющем собой очень твердый сплав меди и олова. В настоящее время их изготавливают путем напыления слоя алюминия, который лучше отражает в УФ-области.
Большой прогресс в производстве дифракционных решеток произошел после изобретения Роуландом в 1882 г. специальной гравировальной машины, которая наносила периодические штрихи с ошибкой, не превышающей одной трехсоттысячной доли дюйма. В настоящее время после работ Стронга и Бэбкока, а впоследствии Харрисона 
и Строука [12] из Массачусетского технологического института (МТИ) в технологии производства дифракционных решеток достигнуты значительные успехи. Так, например, Харрисон в МТИ изготовлял решетки длиной до 26 см и полезной площадью до 
Производство гравированных решеток достаточно сложно и требует значительных затрат времени. В действительности большинство решеток представляет собой реплики, отлитые с матрицы оригинальных гравированных решеток (шаблонов). При освещении интенсивным светом реплики и шаблоны ведут себя по-разному. Например, в резонаторах мощных лазеров должны использоваться шаблоны, поскольку они могут выдерживать огромные интенсивности излучения. В поисках дальнейшей информации об истории и производстве дифракционных решеток мы рекомендуем читателю обратиться к книге Строука [12].
Из-за трудностей, связанных с механическим изготовлением решеток, рассматривалось много других методов их изготовления. В 1927 г. Майкельсон впервые предложил использовать в производстве дифракционных решеток фотографический метод. В 1962 г. Денисюк [13] рассмотрел возможность получения дифракционных решеток с помощью записи интерференционных полос. Современная технология позволяет получать периодическое гофрирование с помощью так называемого голографиче-ского метода. Рельеф решетки в этом методе создается путем интерфе-рометрической экспозиции и обработки фоторезиста. Затем с помощью ионной бомбардировки или химического травления решетка переносится на подложку. Первые голографические решетки для спектроскопических исследований были изготовлены в 1967 г. Шмалем и Рудольфом [14] в
оптической лаборатории Гёттингенской обсерватории и в 1968 г. Лабейри и Фламаном [15] в Париже. С тех пор созданы решетки для видимого, УФ и мягкого рентгеновского диапазонов. В настоящее время существует возможность изготовления решеток шириной более чем 600 мм с плотностью линий более чем 10 000 штрихов на миллиметр. Эти решетки практически не имеют «духов» и характеризуются минимальным рассеянием падающего света. Топографические решетки могут быть изготовлены на искривленной поверхности. Кроме того, в принципе можно создать решетки, период которых будет изменяться по поверхности и таким образом обеспечивать возможность фокусировки дифрагированных пучков. Отражательная способность топографических решеток меньше, чем у гравированной, и сильно зависит от поляризации падающей волны.
Прежде чем завершить данное введение, следует заметить, что в природе существуют некоторые системы, которые, с одной стороны, обладают достаточными размерами, а с другой, — высокой степенью упорядочения, так что их можно рассматривать как дифракционные решетки оптического диапазона. Например, свойствами дифракционных решеток обладают жидкие кристаллы, молекулы которых расположены с достаточной регулярностью. В жидких кристаллах расстояние между соседними молекулами зависит от температуры, так что спектр дифрагированного на этих кристаллах оптического поля также изменяется с температурой, и, следовательно, жидкие кристаллы можно использовать как температурные датчики. Превосходной дифракционной решеткой является опал. Опал состоит из двуокиси кремния, в которую вкраплены маленькие водяные пузырьки. Эти пузырьки образуют плотноупакованную трехмерную решетку с расстоянием между штрихами около 0,25 мкм. Показатель преломления прозрачного вещества матрицы, которая окружает водяные пузырьки, немного отличается от показателя преломления вещества пузырьков. Именно трехмерная дифракционная решетка опала, впервые разрешенная в 1964 г. с помощью электронного микроскопа, делает этот драгоценный камень окрашенным при освещении его белым светом, причем цвет опала меняется как при изменении угла зрения, так и при повороте самого камня.
