Diffraktio

Diffraktio syntyy, kun aalto kohtaa äärellisen kokoisen aukon tai esteen. Aalto ei tällöin jatka täydellisen terävänä säteenä, vaan aukon eri kohdista tulevat aallot superponoituvat ja muodostavat kulmasuuntaisen leviämisen sekä intensiteettikuvion.

Milloin diffraktio näkyy selvästi

Jos aukko on monta aallonpituutta leveä, keskisäde on kapea ja geometrinen optiikka toimii hyvin. Kun suhde λ/a kasvaa, diffraktio voimistuu. Siksi pitkät aallot taipuvat suurtenkin esteiden ympäri, kun taas näkyvä valo tarvitsee paljon pienempiä rakenteita.

Ratkaiseva suure on aukon koon ja aallonpituuden suhde, ei kumpikaan erikseen. Tämä tekee diffraktiosta sekä kuvantamisen erotuskykyä rajoittavan ilmiön että pienten rakenteiden mittausmenetelmän.

Kapea rako levittää aaltorintamaa. Diffraktio on voimakas, kun a on samaa suuruusluokkaa kuin λ.a ~ λ
Kapea rako levittää aaltorintamaa. Diffraktio on voimakas, kun a on samaa suuruusluokkaa kuin λ.

Yhden raon minimit

Ideaaliselle raolle, jonka leveys on a, tummat minimit toteuttavat ehdon a sin θ = mλ, m = 1, 2, 3, … . Ehto määrittää minimit, ei sivumaksimien paikkoja.

Keskimmäinen maksimi sijaitsee ensimmäisten minimien välissä. Pienillä kulmilla ensimmäisen minimin paikka näytöllä on y₁ ≈ Lλ/a.

Ensimmäisen minimin kulma

Miksi keskimmäinen maksimi on erityinen

Keskimmäinen maksimi on kirkkain ja ensimmäisten minimien välistä mitattuna noin kaksi kertaa sivumaksimeja leveämpi ideaalissa yhden raon kuviossa. Sivumaksimien voimakkuus pienenee nopeasti.

Koko intensiteettiprofiili on sinc²-muotoinen, mutta useimmissa perustehtävissä minimiehto riittää kuvion geometrian tulkintaan.

Yhden raon intensiteettikuviossa on leveä keskimmäinen maksimi ja heikompia sivumaksimeja.θ = 0−λ/a+λ/a
Yhden raon intensiteettikuviossa on leveä keskimmäinen maksimi ja heikompia sivumaksimeja.

Diffraktio ei ole sama kuin kahden lähteen interferenssi

Molemmat perustuvat superpositioon. Kaksoisraossa vaihe-eroa tarkastellaan kahden koherentin aukon välillä. Yhden raon diffraktiossa yhden äärellisen aukon kaikki kohdat osallistuvat ja interferoivat.

Todellisella kaksoisraolla on äärellinen leveys, joten kapeat interferenssijuovat voivat olla laajemman diffraktiovaipan sisällä. Pelkkä kahden reunan malli ei kuvaa koko mekanismia.

Aukon koko määrää leviämisen

Kun λ kasvaa tai a pienenee, ensimmäiset minimit siirtyvät suuremmille kulmille. Pienen kulman approksimaatiossa keskimmäisen maksimin koko leveys on noin 2Lλ/a.

Jos raon leveys puolitetaan, keskimmäisen maksimin leveys likimain kaksinkertaistuu. Tämä suuntatarkistus on hyödyllinen ennen numeerista laskua.

Ratkaistut esimerkit

1. Ensimmäinen minimi

Valo, jonka λ = 500 nm, kulkee 5,0 μm raon läpi. Laske ensimmäisen minimin kulma.

Ratkaisu

sin θ₁ = λ/a = 0,100, joten θ₁ ≈ 5,74°.

2. Raon kaventaminen

Mitä keskimmäiselle maksimille tapahtuu, jos raon leveys puolitetaan?

Ratkaisu

Ehdosta sin θ₁ = λ/a seuraa, että pienillä kulmilla θ₁ likimain kaksinkertaistuu. Maksimi levenee.

3. Leveys näytöllä

λ = 600 nm, a = 0,20 mm ja L = 2,0 m. Arvioi keskimmäisen maksimin leveys.

Ratkaisu

y₁ ≈ Lλ/a = 0,0060 m, joten koko leveys 2y₁ = 12 mm.