Efekty falowe: dyfrakcja światła

Dyfrakcja światła - efekt, który występuje podczas propagacji fal. Przejawia się w odchyleniu od praw optyki geometrycznej. Przy różnych zjawiskach falowych możliwe jest prześledzenie tego samego charakteru zasad, według których płyną.

Zakłócenia i dyfrakcja światła

Należy zauważyć, że te dwa pojęcia są uważane za nierozłączne. Z reguły dyfrakcja jest traktowana jako szczególny przypadek. Fale są ograniczone w przestrzeni. Interferencja światła - zjawisko dodawania wibracji. W niektórych punktach w przestrzeni amplituda wzrasta z powodu superpozycji fal. Jednocześnie w innych punktach amplituda maleje. Wzloty i upadki zmieniają się, tworząc wzór interferencji. Stałość jest obserwowana tylko w przypadku koherencji dodanych oscylacji, to znaczy, gdy różnica jest stała. Koherentne oscylacje - fale o tej samej częstotliwości. Dlatego w praktyce częściej badana jest interferencja drgań monochromatycznych. Należy zauważyć, że ogólną właściwością wszystkich efektów dyfrakcyjnych jest wyraźna zależność od stosunku wielkości λ do d, gdzie λ jest długością fali, a d jest rozmiarem szerokości czoła fali.

Znaczenie tego zjawiska

W większości przypadków szerokość wavefront jest ograniczona. Oznacza to, że zjawisko odchyleń od praw optycznych towarzyszy niemal każdemu procesowi falowemu. Dyfrakcja światła ustawia rozdzielczość dowolnego, nawet najprostszego urządzenia optycznego. Podczas projektowania bardziej złożonych systemów ta cecha jest częściej ograniczana przez aberracje. Zwiększają się wraz ze wzrostem średnicy obiektywu kamery. Fotografowie znają zjawisko poprawy jakości obrazu, gdy obiektyw jest przeponiony.

Przypadki zaniedbania

Zjawisko dyfrakcji światła może wpływać na przebieg obliczeń w procesie badania, tylko jeśli niejednorodności ośrodka optycznego są porównywalne z rozmiarem długość fali. Następnie efekt fal rozpraszających. Ale gdy niejednorodności stają się o 3-4 zamówienia dłuższe niż długość fali, dyfrakcja jest często zaniedbywana. W tym przypadku propagacja fali jest bardzo dokładnie opisana przez system praw optyki geometrycznej.

Różne interpretacje efektu

W różnych momentach dyfrakcja światła była rozumiana i wyjaśniana na różne sposoby. Jedna z pierwszych interpretacji sugerowała, że ​​fala pochyla się wokół przeszkody. Innymi słowy, przenika region geometryczny cienia. Ale według współczesnych standardów ta interpretacja jest zbyt wąska. Zdaniem naukowców nie opisuje on w wystarczającym stopniu skutków, jakie mogą wystąpić. We współczesnej nauce szeroki zakres zjawisk związany jest z dyfrakcją. Występują, gdy fale rozprzestrzeniają się w niejednorodnych mediach optycznych.

Jak to działa?

Dyfrakcję światła można wykryć w przestrzennej transformacji struktur falowych. Można to w pewien sposób uznać za "zaokrąglenie" fali istniejącej za powstałą przeszkodę. W innych sytuacjach przyczyną może być ekspansja sektora propagacji wiązki lub ich odchylenie do pewnej strony. Dyfrakcja światła może również objawiać się rozkładem widmowym fal o częstotliwości. Ponadto, dany efekt można wykryć w transformacji polaryzacji falowej lub w zmianie struktury fazy. Do tej pory najczęściej badane są efekty akustyczne i fale elektromagnetyczne (w szczególności optyczne). Fale grawitacyjno-kapilarne na powierzchni cieczy zostały poddane badaniom i wystarczająco wyjaśnione.

Niektóre funkcje

Cechy pola falowego, takie jak jego pierwotny rozmiar i struktura, odgrywają ważną rolę w zjawisku dyfrakcji. W przypadku, gdy niejednorodności układu optycznego są porównywalne z lub mniejszą niż długość fali, odnotowuje się istotne zmiany parametrów. Aby lepiej zrozumieć, możesz rozważyć prosty przykład. Mamy ograniczoną przestrzennie wiązkę fal. Nawet jeśli ośrodek optyczny jest jednorodny, będzie miał właściwość "rozmycia". Tego efektu nie można opisać za pomocą aparatu optyki geometrycznej. Ale współczesna nauka jest już bogata w taką koncepcję, jak rozbieżność dyfrakcyjna. To dzięki niemu można w najszerszym stopniu opisać przejaw tego efektu. Zauważ, że pierwotne ograniczenie i struktura pola fal w przestrzeni często powstają nie tylko z powodu obecności elementów absorpcji lub odbicia. Często pojawiają się już w początkowej generacji rozważanego medium.

Przypadki specjalne

Załóżmy, że mamy nośnik optyczny, w którym notuje się płynną zmianę prędkości fali od punktu do punktu. Gładkość "obliczy" w odniesieniu do zmian długości obiektu. W takim środowisku propagacja wiązki będzie krzywoliniowa. Fakt ten jest związany ze zjawiskiem mirażu (tak przy okazji, jest on badany w optykach gradientowych). W takim przypadku przeszkoda może zginać się wokół fali. Co godne uwagi, efekt ten można opisać za pomocą równań aparatu optyki geometrycznej. Tego zjawiska propagacji fal krzywoliniowych nie można przypisać dyfrakcji. Należy zauważyć, że dość często efekt ugięcia może nie być w ogóle związany z tak zwanym "zaokrągleniem" istniejącej lub istniejącej przeszkody. W tym samym czasie obecność obiektu "w drodze" powoduje dyfrakcję. Jako przykład można podać wpływ odchylenia na struktury fazowe, to znaczy typu nieabsorbującego lub przezroczystego.

Ostateczne rozbieżności z optyką geometryczną

Jak się dowiedzieliśmy, dyfrakcji nie można wytłumaczyć w kategoriach modelu promienia, czyli w ramach definicji optyki geometrycznej. Z drugiej strony traktowanie było wyczerpujące z punktu widzenia teorii procesów falowych. Niektórych zjawisk nie można jednak wyjaśnić za pomocą optyki geometrycznej, ale jednocześnie nie mają one zastosowania do dyfrakcji. Na przykład zjawisko rotacji płaszczyzny polaryzacji w optycznie czynnym ośrodku nie jest uważane za efekt ugięcia. W tym samym czasie obrót płaszczyzny polaryzacji jest wynikiem tak zwanej dyfrakcji współliniowej. Odchylona wiązka fal nie zmienia kierunku. Ten typ efektu jest realizowany, na przykład, jako dyfrakcja ultradźwiękowa w krysztale dwójłomności. W tym przypadku wektory fal akustycznych i optycznych będą równoległe. Należy zauważyć, że zjawisko sprzężonych falowodów nie może być interpretowane w kategoriach modelu promienistego, chociaż nie są one również określane jako dyfrakcje. Innym przykładem takich rozbieżności jest sekcja "Kryształowe optyki". Bierze pod uwagę anizotropię medium. Ta sekcja ma niewiele wspólnego z problemem dyfrakcyjnym. Jednak odpowiednie byłyby odwzorowania przedstawionego modelu promienia. Wszakże istnieją oczywiste różnice w koncepcji wiązki jako kierunku propagacji światła i koncepcji czoła fali jako normalnej do wiązki. W silnych polach można również obserwować krzywoliniowe propagacje wiązek. Naukowcy udowodnili, że światło przechodzące w pobliżu masywnego obiektu, takiego jak gwiazda, zmienia kierunek w kierunku pola obiektu. I tutaj w końcu widzimy "zaokrąglanie" przeszkód. Chociaż zjawisko to nie ma zastosowania do dyfrakcji.