Дифракция Фраунгофера

Пример оптической установки, в которой наблюдаются дифракция Френеля (в ближней зоне) и дифракция Фраунгофера (в дальней зоне).

Дифракция Френеля: [math]\displaystyle{ F = \frac{\rho^2}{z\lambda} \geqslant 1 }[/math]

Дифракция Фраунгофера: [math]\displaystyle{ F = \frac{\rho^2}{z\lambda} \ll 1 }[/math]

Дифракция Фраунгофера — случай дифракции, при которой дифракционная картина наблюдается на значительном расстоянии от отверстия или преграды. Расстояние должно быть таким, чтобы можно было пренебречь в выражении для разности фаз членами порядка [math]\displaystyle{ \frac{\rho^2}{z\lambda} }[/math], что сильно упрощает теоретическое рассмотрение явления. Здесь [math]\displaystyle{ z }[/math] — расстояние от отверстия или преграды до плоскости наблюдения, [math]\displaystyle{ \lambda }[/math] — длина волны излучения, а [math]\displaystyle{ \rho }[/math] — радиальная координата рассматриваемой точки в плоскости наблюдения в полярной системе координат. Иными словами, дифракция Фраунгофера наблюдается тогда, когда число зон Френеля [math]\displaystyle{ F \ll 1 }[/math], при этом приходящие в точку волны являются практически плоскими. При наблюдении данного вида дифракции изображение объекта не искажается и меняет только размер и положение в пространстве. В противоположность этому, при дифракции Френеля изображение меняет также свою форму и существенно искажается.

Дифракционные явления Фраунгофера имеют большое практическое значение, лежат в основе принципа действия многих спектральных приборов, в частности, дифракционных решёток. В последнем случае для наблюдения светового поля «в бесконечности» используются линзы или вогнутые дифракционные решетки (соответственно, экран ставится в фокальной плоскости).

Математическоe описание

В скалярной теории дифракция Фраунгофера определяется следующим интегралом:

[math]\displaystyle{ U(x,y) = \frac{e^{i k z} e^{\frac{ik}{2z} (x^2 + y^2)}}{i \lambda z} \iint_{-\infty}^{\infty} \,u(x',y') e^{-i \frac{2\pi}{\lambda z}(x' x + y' y)}dx'\,dy'. }[/math]

Литература

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.. — Т. IV. Оптика.