Существует одна область, с которой мы так или иначе сталкиваемся в реальной жизни, и которая меня всегда довольно сильно привлекала — дифракция, так как она вызывает разложение света на радужный* спектр.
Мы наблюдаем это повсеместно: радуга после дождя, радужные ореолы в туманную погоду вокруг фонарей вечером, радужная поверхность мыльных пузырей и капель бензина на асфальте, поверхность CD/DVD дисков, лицензионные наклейки и прочее, прочее, прочее…
При этом с использованием этого эффекта можно создать интересную самоделку, доступную практически каждому, минимально «дружащему» с электроникой и программированием. Мне кажется, она потенциально может стать бестселлером (не знаю, насколько это слово применимо к самоделке, но тем не менее).
В любом случае, такая самоделка даёт новую неординарную возможность, до которой я додумался буквально недавно, и никогда не встречал её ранее: как создать дифракционную кухонную скалку или дифракционный малярный валик — довольно странные, но удивительные вещи. У меня самого ещё идёт мыслительный процесс и работа над результатом, и я решил с вами поделиться. Думаю, это будет интересно. А желающие могут попытаться даже обогнать меня в разработках ;-)
UPD. К моменту окончания написания статьи я догадался ещё до пары способов, и там вообще нужны только руки — даже безо всяких микроконтроллеров. Желательно >0 и этого достаточно :-)))
Но для начала рассмотрим теорию.
*Не каждый свет можно разложить на спектр — если попытаться разложить монохроматический свет, то есть, например, лазерный луч, то это приведёт лишь к тому, что мы увидим только чередующиеся светлые и тёмные полосы одного и того же цвета (дифракционные максимумы и минимумы). Это если разложение на спектр производилось с помощью щели; если же разложение производилось с помощью дифракционной решётки, то мы увидим только светлые точки чередующейся яркости.
Комментарий под звёздочкой выше поднимает целый ряд теоретических вопросов, поэтому рассмотрим всё с самого сначала…
Дифракцией называется явление, при котором свет (в данном случае мы говорим исключительно о видимом свете, то есть о видимом спектре электромагнитных волн; хотя понятие дифракции шире и охватывает и другие типы волновых процессов, насколько мне известно) в процессе огибания препятствий создаёт сложные узоры и распадается на спектр. (Как уже упоминалось, распад на спектр наблюдается только у составных видов света, то есть состоящих из разных длин волн.)
Такого рода узоры представлены обычно тёмными или светлыми полосами или пятнами (в случае монохроматического света), которые называют дифракционными максимумами и минимумами.
Причиной этого является то, что немонохроматический свет представляет собой набор электромагнитных волн разной длины волны.
Например, красный свет имеет самую длинную волну, в то время как фиолетовый — самую короткую (здесь мы говорим обобщённо, не вдаваясь в детали, потому что понятно, что существует ещё и ультрафиолет разных длин волн и инфракрасный свет; но пока не будем вдаваться в такие детали).
Есть довольно большое количество способов вызвать дифракцию, и некоторые из них весьма экзотические:
- Добавление в лак порошков с мелкими частицами, которые не растворяются в нём и создают на поверхности засохшей плёнки лака наноразмерные неровности, с последующим нанесением этой смеси на поверхность (например, в одной из статей ранее мы рассматривали способ создания порошка наночастиц — выпадение порошка металлической меди из раствора медного купороса; уверен, что этот способ выпадения порошка металлической меди не единственный, и можно поискать и другие, более простые).
Способ с наночастицами может быть ещё более «проапгрейжен», если дополнительно использовать внешнее воздействие для формирования на поверхности наноструктур.
Например, воздействовать на поверхность с нанесённым составом электростатическим, электромагнитным полями; ультразвуком, создавая на поверхности стоячие волны и воздействуя условно продолжительное время, чтобы состав успел застыть, образовав на поверхности волновую микроструктуру (только ультразвук придётся использовать достаточно высокой частоты, например, ультразвук с частотой в 100 МГц даст расстояние между бороздками в примерно 3,43 микрона (а надо в 1 микрон или меньше). То есть частоту придётся ещё существенно поднять. - Использование свойства самосборки некоторых веществ, которые обладают возможностью самопроизвольно создавать на поверхности наноразмерные узоры (блок-сополимер (полистирол-полиизопрен), растворитель (толуол) — их нагрев и последующее остужение).
- Множество иных способов — дифракция на слоёных плёнках (мыльные пузыри, бензин на воде, искусственно созданные структуры) и т.д.
- Дифракция на призмах: так как этот вид далеко от нашего рассмотрения, отметим только без глубокого рассмотрения, что он относится к скорости движения света в материале и представляет собой преломление и дисперсию света.
Ещё добавлю, что интерес к разложению на спектр возник у меня ещё в студенческие годы, когда мы с другом собрали цветомузыку для дискотек из кучи призм и линз. Она проецировала на танцующий народ невероятно яркие и сочные радуги. Ну это так, к слову...:-)
Однако, принимая в расчёт волновую природу света, в этих, на первый взгляд, казавшихся удивительными способах нет ничего удивительного, и можно спроектировать множество иных интересных способов дифракции, если знать, «что есть свет» ;-)
Тем не менее, для простоты рассмотрим два наиболее классических способа: дифракция на щели и дифракция на решётке.
Дифракция на щели: когда свет проходит через узкую щель, он отражается от мелких неровностей и огибает препятствия; при этом световые волны ещё и взаимодействуют друг с другом, где в ходе такого взаимодействия они могут складываться:
- В фазе (когда гребни волн совпадают с гребнями) — в таком случае происходит усиление волн и возникают светлые полосы, называемые «максимумами»;
- В противофазе (когда гребни совпадают с впадинами) — в этом случае волны гасят друг друга и возникают тёмные полосы, или «минимумы».
Чтобы возникла дифракция, ширина щели должна быть сравнима с длиной волны.
Если мы говорим о дневном свете (длина волны 400-700 нм) как о самом простом примере, то для него ширина щели должна быть порядка 1 микрона (1000 нм) или менее.
В качестве более простого примера: если сравнивать с толщиной листа А4 (примерно 100 микрон), то ширина дифракционной щели должна быть примерно в 100 раз меньше.
Или, например, если сравнивать с толщиной острой кромки канцелярского ножа (10-20 микрон), то такая щель должна быть в 10-20 раз уже (т. к. она требует ширины в 1 микрон и менее).
Дифракция на решётке: кроме описанного случая дифракции на щели, может наблюдаться ещё и дифракция на решётке, где щели расположены на одинаковом расстоянии и такая решётка будет состоять из множества подобных щелей.
Таким образом, свет, прошедший через одну щель, взаимодействует не только сам с собой, но и с другим светом, прошедшим через другие щели. Такое взаимодействие приводит к появлению множества точек, отличающихся по яркости (в случае монохроматического света) — от самых ярких до полностью отсутствующих. Самые яркие будут являться главными максимумами и располагаться на определённых углах, менее яркие — вторичными максимумами, а тёмные участки — это те места, где свет погашается за счёт интерференции в противофазе. В случае же, если свет составной, он будет разложен на спектр.
Расстояние между щелями дифракционной решётки для белого света должно составлять порядка 1000-2000 линий/мм*, — только при такой частоте будет наблюдаться уверенная дифракция, если же частота будет меньше — эффекты будут, но гораздо менее выраженные, вплоть до полного пропадания при определённом пороговом пределе (который мне неизвестен).
*К примеру, компакт-диск (CD) имеет 625 линий/мм – поэтому уверенно и демонстрирует отражательную дифракцию на своей поверхности.
Могу только сказать, что при существенном превышении шириной щели — длины волны, свет начинает вести себя как прямолинейный луч и дифракционные эффекты сходят на нет.
На практике не всё так строго (по результатам моих тестов ниже) и дифракция наблюдалась даже на распечатанной на чёрно-белом лазерном принтере (на плёнке) сетке из чёрных линий. Слабая, но тем не менее (разрешение принтера не позволило увеличить плотность линий).
Другими словами, ширина отдельной щели дифракционной решётки должна составлять порядка 0,5–1 микрона, что в 200–100 раз меньше толщины листа А4 или в 40–10 раз тоньше режущей кромки канцелярского ножа.
Дифракция может быть прозрачной и отражательной: в первом случае свет проходит через щель или решётку, во втором случае, соответственно, отражается от них.
Ещё один любопытный момент заключается в том, что в качестве щели или щелей может выступать не только собственно промежуток между двумя объектами, но и микроструктура на поверхности — например, углубления и возвышения (как в грампластинках раньше).
И тут есть один тонкий момент: играет роль не только наличие углублений и возвышений, но и их форма — другими словами, профиль микроструктуры поверхности.
Есть несколько вариантов:
- Синусоидальный профиль — даёт более равномерную картину: будут плавные переходы между максимумами и минимумами;
- Треугольный профиль (как в грампластинках) — чёткие максимумы с плавным спадом;
- Пилообразный профиль — даёт более интенсивные высшие порядки дифракции, будут получаться более ярко выраженные участки спектра;
После того, как мы знакомились со всей этой теорией, сделаем отступление и прикинем: а вообще зачем это всё нужно? Не только ведь для простого академического интереса?
Дело в том, что дифракция может быть использована весьма нестандартным образом: например, если микроструктура нанесена на гибкую плёнку, то её можно приложить к какой-либо временно жидкой субстанции и дать застыть.
После чего эта микроструктура отпечатается на поверхности этой субстанции, которая станет переливаться всеми цветами радуги, что может быть полезным образом использовано, например, в кулинарии, где, как показано в видео ниже, таким образом придали радужный переливающийся оттенок конфетам (см. с 6:00):
Или можно использовать такую плёнку как подложку для печати на ней 3D модели, после чего модель станет переливаться (см. с 4:00):
Также плёнку с микроструктурой можно использовать для наклеивания на стекло, и дом наполнится весёлыми, сочными спектральными узорами, — как только луч солнца попадёт на такую плёнку, как показано здесь (даю ссылкой, потому что Хабр не позволяет вставлять вертикальное видео) или здесь в виде картинок.
Но самое интересное даже не это — в тот самый момент, когда я задумчиво смотрел на радужный шоколад, меня просто как молния поразила мысль: а ведь можно накатывать эти радужные узоры на любую поверхность, только для этого надо использовать не плёнку, а ВАЛИК или СКАЛКУ!!!
Дифракционный радужный валик/скалка, чёрт побери… Я даже не припомню случая, когда мне придумывалось что-то более интересное и, в то же время, простое!
«Накатывать дифракцию» (простецки выражаясь) на стены, потолки, торты, шоколад и т.д. и т.п. Спектр применения — широчайший!!! О_о
Причём если валик или скалку катить ровно, получится гладкая переливающаяся поверхность, а если катать, произвольно меняя направление, то поверхность превратится буквально в переливающийся «витраж» из отдельных «стёклышек» О_о
Конечно, придётся озаботиться и износоустойчивостью, и поэтому изготовить этот валик или скалку из износоустойчивых материалов (например, сталь) — особенно это касается работы по стенам, потолкам, так как они весьма абразивные.
К слову, если кто не знает, именно поэтому строительный инструмент для внутренних работ стараются делать из нержавеющих сталей или ржавеющих, но с нержавеющим покрытием, так как простые ржавеющие стали стираются об стены/потолки, оставляя на них частицы металла, которые со временем превращаются в расплывшиеся ржавые пятнышки на стенах (которые могут повредить, например, обоям, как вариант).
Я провёл свои эксперименты с попытками добиться дифракции (процесс ещё идёт, и предлагаю присоединиться и вам). В первом случае я взял пару листов прозрачной термостойкой плёнки для лазерных принтеров (на ней можно печатать), смоделировал в CorelDRAW решётку с толщиной линий 0,05 мм и такими же расстояниями между ними (меньше не получилось — принтер просто не тянет) и распечатал пару таких листов на чёрно-белом лазерном принтере.
В первом случае я просто попытался посмотреть сквозь такую решётку на свет — слабые ореолы наблюдались.
После чего я взял второй лист, наложил поверх первого и чуть сместил их относительно друг друга, чтобы уменьшить ширину щелей, и снова посмотрел на источник света — яркость радужных ореолов увеличилась, но всё равно была очень смутной. Но на самом деле я был рад и этому, я и не ожидал, что такая грубая дифракционная решётка будет работать, а вот поди ж ты…
Далее я попытался обратиться к своему токарному станку по металлу ТВ-16. Дело в том, что у меня для него есть полный набор шестерён для коробки передач (18 штук), что позволяет их комбинацией добиться разного шага движения резца по заготовке, памятка о чём прибита заклёпками к внутренней стенке коробки передач (1953 год, чугун, памятки на заклёпках — всё серьёзно, у товарища Сталина не забалуешь).
Самый минимальный шаг резца по заготовке, который можно было выставить сочетанием шестерён, был в 0,01 мм. Маловато… К слову — нарезать можно было бы хорошо наточенным (с помощью алмазной тарелки) резцом ВК8 с треугольной заточкой (кликабельно):
Посидев и подумав над всем этим, я догадался, как надо! В моём случае шаг приводного винта (который тянет резец мимо заготовки скалки) играет весьма посредственную роль! Дело тут вот в чём: можно спиральную канавку нарезать как у болтов (и тут я не смогу превысить возможности станка), а можно ПРЕРЫВИСТУЮ, поднимая и опуская резец (и тут я смогу превысить то, что может станок)!
Подъём резца организовать с помощью соленоида. И тогда расстояние между параллельными бороздками будет вообще любым (в здравых пределах). А задать это с помощью управляющего микроконтроллера — простецкое дело… Отсчитывать время и поднимать резец, опять отсчитывать и т. д. То есть: нарезали-подняли-сдвинулись-опустили-нарезали… (и так далее):
То есть нужно очень быстро вращать скалку с максимальной скоростью, которую поддерживает токарный станок, и на доли секунд поднимать/опускать резец. Резец будет подниматься буквально на 0,5–1 мм, и этого будет достаточно.
Плюс такого способа — производительность. Минус — вибрации. Будем посмотреть…
Причина этих мытарств в том, что я не могу управлять в широких пределах соотношением скоростей скалки и резца — у меня это жёстко задано шестернями. А у вас, в примере ниже (с шаговыми двигателями), это всё абсолютно реально. И если использовать шаговые двигатели, то можно как спиральную бороздку с любым шагом резать, так и параллельные бороздки (если организовать подъём/опускание резца).
В моём же случае я буду работать над подъёмом/опусканием и строить нарезание канавок на базе токарного станка. Но это ни о чём не говорит — и вы можете попробовать сделать на базе шаговых двигателей, как будет описано ниже.
Кстати, тут надо сделать небольшое отступление и памятку для тех, кто будет идти по пути нарезания бороздок: не нужно бояться того, что я использовал токарный станок, а у вас его нет — не забываем, что нам нужно нанести на поверхность микроструктуру, а для этого достаточно её «едва-едва нацарапать», чтобы след от резца на поверхности оставался едва заметным, белёсым и этого достаточно, и добиться этого можно всего лишь едва прижав резец к детали (дикие усилия не нужны), а крутить всё шаговыми двигателями — об этом будет ниже.
После этого я решил выяснить, как в прошлом делали бороздки, и узнал, что для этого использовалась так называемая делительная машина. Некоторые даже сейчас строят её механические аналоги — разумеется, не точные копии исторического прототипа, но с тем же смыслом: чтобы наносить параллельные царапины.
Например, показанная ниже самодельная машина, несмотря на казалось бы хлипкую конструкцию с 3D-печатными деталями, позволяет вполне уверенно наносить риски с промежутком всего лишь в 10 нм. Это даёт уверенную дифракцию, в чём нет ничего удивительного, так как выше мы уже рассматривали, что для уверенной дифракции хватит и одного микрона, а тут 0,01 микрона — то есть более чем достаточно (см. с 12:00).
Исходя из всего изученного, я сделал для себя вывод, что один из самых реалистичных и простых вариантов нанесения дифракционных бородок на валик — это использование двух шаговых двигателей: один из них вращает валик, а второй перемещает мимо него по резьбовой шпильке царапающее устройство, в роли которого, на мой взгляд, хорошо подойдёт обычный токарный резец, хорошо наточенный на алмазной чашке.
В качестве эксперимента можно попробовать использовать в качестве резца лезвие канцелярского ножа или его кусочек (если цилиндр у вас относительно мягкий, например, пластиковый, а не как у меня — алюминиевый).
Сильно давить не надо — как мы видели в видео выше, где наносились параллельные риски, достаточно практически своего веса плюс ещё чуть-чуть. Цель — не врезаться на миллиметр в глубину, а едва-едва нацарапать поверхность. Почти как кот лапкой:-)) Что, к слову, уменьшает требования и к жёсткости всего устройства в целом, что для нас есть хорошо…
Все детали подобного устройства могут быть изготовлены на 3D-принтере и куплены в хозмаге (резьбовая шпилька, гайка), представляя собой очень простые компоненты:
Попробуем прикинуть, с какой скоростью должны вращаться шаговые двигатели, чтобы получить дифракционную решётку!
Сразу скажу, что в расчётах ниже не принимается во внимание собственно толщина лезвия резца, что тоже, безусловно, будет влиять на дело. Но, так как предполагаю, что лезвие у всех, кто захочет пойти по этому пути, будет разным, этот момент я пока оставил без внимания. Итак…
Допустим, мы взяли пару шаговых двигателей и два драйвера с поддержкой микрошагового режима 32 микрошага на шаг (это с целью достичь максимального разрешения при перемещении резца).
В качестве одних из самых дешёвых вариантов драйверов можно взять ТВ6600. Управлять всем этим хозяйством можно с любого микроконтроллера (Arduino, esp32 и т. д. и т. п.).
Как управлять драйвером шагового двигателя ТВ6600 с помощью микроконтроллера esp32, можно найти здесь.
Попробуем рассчитать, с какой скоростью должны вращаться оба двигателя в нашем случае, чтобы получить искомые микробороздки на цилиндре.
Допустим, что скалка и приводной винт (т. е. резьбовая шпилька М8х1,25) резца установлены горизонтально, и скалка и винт приводятся в действие отдельными двигателями, а резец перемещается за счёт крепления на FDM 3D печатной каретке со вставленной туда гайкой М8х1,25.
Маленькая справка для тех, кто не сталкивался: М8х1,25 означает, что «резьба метрическая (а бывают ещё дюймовые) диаметром 8 мм с шагом между остриями витков – 1,25 мм».
Это широко распространённая резьба и гайки/резьбовые шпильки с ней можно найти в любом хозмаге.
Дано:
- Шаг шпильки
= 1,25 мм. - Диаметр скалки
= 26 мм. - Желаемый шаг бороздки
= 1 мкм (0,001 мм). - Микрошаги драйверов: 32 микрошага на шаг.
- Количество шагов на оборот двигателя: 200 шагов.
Соотношение скоростей двигателей:
За один полный оборот скалки (двигатель 1) резец должен прорезать одну бороздку. Если шаг бороздки
= 0,001 мм, то за один оборот скалки резец должен сместиться на .За один полный оборот шпильки (двигатель 2) резец смещается на шаг шпильки
= 1,25 мм. Чтобы резец сместился на = 0,001 мм, шпилька должна повернуться на угол, соответствующий 
оборотов:
Таким образом, соотношение скоростей двигателей:
Подбор скорости двигателя 1 (
):Чтобы шаги в секунду для обоих двигателей получились целыми числами, подберём
так, чтобы:- 6400
делилось на 60 без остатка, - 6400
делилось на 60 без остатка.
Из соотношения скоростей
= 0,0008 . Подставим:
6400
= 5,12 .Чтобы
делилось на 60 без остатка, 
должно быть кратно 
.Упростим:
= 11,71875 
,где
— целое число.Если взять
= 1, то: = 11,71875 об/мин.Расчёт шагов в секунду:
Двигатель 1 (скалка):
- За один полный оборот скалки двигатель 1 делает 200 шагов.
- С учётом микрошагов: 200
32 = 6400 микрошагов на оборот. - Скорость вращения = 11,71875 об/мин.
Переводим в шаги в секунду:
Шаги в секунду =
микрошагов/сек.Двигатель 2 (шпилька):
- Скорость вращения = 0,0008 = 0,0008 11,71875 = 0,009375 об/мин.
- За один полный оборот шпильки двигатель 2 делает 200 шагов.
- С учётом микрошагов: 200 32 = 6400 микрошагов на оборот.
Переводим в шаги в секунду:
Шаги в секунду =
= 1 микрошаг/сек.Итого, у нас получается, что для нарезания дифракционной решётки с шагом в 1 мкм каждый двигатель должен делать следующее число шагов (это потом надо будет выставить в управляющей программе):
- Двигатель 1 (скалка): 1250 микрошагов/сек.
- Двигатель 2 (шпилька): 1 микрошаг/сек.
При этом расчёты приведены для случая, когда в качестве средства перемещения резца используются резьбовая шпилька и гайка с резьбой М8х1,25, а шаговые двигатели управляются драйверами двигателей, с режимом микрошага (32 микрошага на шаг).
И снова повторю, что расчёты не учитывают толщину лезвия резца, которая (скорее негативно, чем позитивно) скажется на реалистично возможном шаге бороздок дифракционной решётки.
Проще говоря, резец слишком толстый (в подавляющем большинстве случаев), и от того, насколько хорошо вы сможете его сделать тонким (наточить, сразу раздобыть тонкий и т. д.), зависит успех всего мероприятия в целом. Одним из довольно любопытных и доступных средств организации заточки резца я вижу электролитическое растворение (соль, вода, резец и другой электрод в ванну, и подать ток низкого напряжения 1-3 вольта) под наблюдением. Такой подход позволит не задумываться о том, «где раздобыть точилку для резца», но тут всё будет довольно тонко, и надо хорошо отслеживать процесс…
Кроме того, надо будет озаботиться и консистенцией поверхности — чтобы она быстро затвердевала, не успев расплыться и потерять микроструктуру. Тут мне видится любопытным вариантом подогревать валик изнутри ТЭН-ом, с ШИМ и PID — для точного контроля температуры. Зачем: когда катим валик/скалку по поверхности — он чуть-чуть расплавляет поверхность и таким образом происходит перенос профиля микроструктуры. После того, как валик/скалка проехали это место — оно моментально застывает снова.
Также, необходимо будет подумать и о том, чтобы к скалке/валику минимально налипал прокатываемый материал (в идеале, не налипал вовсе) — что можно достичь подбором материала прокатываемой поверхности и самого валика.
В любом случае, мне кажется что сама идея довольно интересная, поэтому решил поделиться ею с вами. А приведённая информация поможет вам (если решитесь) для движения в этом направлении.
Но можно пойти и более ленивым путём;-) Приобрести, скажем, прозрачные дифракционные плёнки (их ещё продают под названием «голографические плёнки») и наклеить их, например, на окно — и квартира наполнится в солнечный день весёлыми сочными цветовыми оттенками, которые дают настоящий позитив, — что тоже вполне себе вариант.
Или так: проверить, что микроструктура на дифракционных покупных плёнках ничем не ламинирована сверху, обмазать малярный валик, например, эпоксидкой и обернуть такой плёнкой, оставив на ночь. С утра отдираем плёнку и имеем отпечатавшуюся на нём микроструктуру, или, другими словами — дифракционный валик, безо всяких хлопот! :-)
Или ещё проще: оклеили малярный валик дифракционной плёнкой и так и оставили. А потом катаем им стены, торты и т.д. О_о. «Лень — моё второе имя» ©
К слову, если бы такие плёнки, как ниже, были у меня, когда я был студентом — я бы лучше на них собрал проектор для дискотек, чем на призмах (как я писал выше).
Примеры
Картинка: Etsy — pinterest.com
Картинка: Angekiller — pinterest.com
Картинка: Blackbencarson — pinterest.com
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
