Difrakcija: Skirtumas tarp puslapio versijų

Šviesos difrakcijai vykti nėra būtinos bangos ilgio matmenų kliūtys arba plyšiai. Koherentinių šviesos šaltinių, tokių kaip [[lazeris]], spinduliuojama šviesa difraguoja savaime. Lazerio spinduliuotei yra būdinga sudėtinga erdvinė sandara, priklausanti nuo [[Optinis rezonatorius|lazerinio rezonatoriaus]] simetrijos bei lazerinės generacijos sąlygų. Lazeris su skirtingais lazerinio rezonatoriaus išvadiniais [[Veidrodis|veidrodžiais]] be [[Lazerinis kaupinimas|lazeriniu kaupinimu]] spinduliuoja skirtingas lazerinės spinduliuotės [[skersinė moda|skersinės modas]]. Žemiausios eilės moda – [[Gauso pluoštas]] – yra lengviausiai sužadinama lazerio moda, turintį platų taikymą. Esminė Gauso pluošto savybė yra tą, kad jijos neįmanoma sufokusuoti iki matmenų mažesnių negu bangos ilgis. Dėl šios priežasties šiuolaikinėje optikoje GausinisGauso pluoštas ir kitos lazerinio rezonatoriaus modos yra vadinami difraguojančiais spinduliais. Difrakcija yra svarbi optinių laikmenų teorijoje, kadangi ji riboja [[Kompaktinė plokštelė|CD]]/[[DVD]] arba [[Blu-ray Disc]] lazerio mažiausios dėmės matmenis, o tuo būdupačiu ir įrašomos informacijos kiekį. Difrakcija yra svarbi [[Litografija|litografijoje]], kadangi gaminant mikroschemų ir procesorių takelius, ji riboja mažiausią pasiekiamą takelio dydį.

Difrakcijai pasireikšti yra būtini [[Koherentiškumas|koherentiniai šviesos šaltiniai]]. Paprastai gamtoje retai pasitaiko situacijos, kuomet šviesos šaltinį galima vadinti koherentiniu. Tačiau, [[Saulė]]sSaulės
<nowiki> </nowiki>šviesa savo kelyje sutikusi mažas kliūtis (vandens lašus, ledo
kristalus), gali būti apytiksliai laikoma koherentinė. Kuomet šviesa
susiduria ypač smulkiais vandens lašais, atmosferoje yra stebimi šviesos
<nowiki> </nowiki>difrakcijos sąlygoti reiškiniai – [[Vainikas (optinis reiškinys)|vainikai]] ir [[Rūko lankas|rūko lankai]].
<nowiki> </nowiki>Vainikai yra stebimi danguje, kaip spalvoti ratilai, susidarantys
aplink įvairius dangaus skliaute esančių šviesos šaltinius – [[Saulė|Saulę]], [[Mėnulis|Mėnulį]], [[planeta]]splanetas, [[žvaigždė|žvaigždes]] ir net [[debesis]]. [[Rūko lankas]] yra giminingas [[Vaivorykštė|vaivorykštėms]],
<nowiki> </nowiki>kadangi šio efekto priežastis yra taip pat vandens lašai, bet spalvų
išsidėstymas rūko lanke žymiai skiriasi nuo spalvų išsidėstymo
vaivorykštėje dėl fizikinių reiškinių skirtumų. Dar vienas difrakcijos pavyzdys yra gamtoje sutinkamos [[Difrakcinė gardelė|difrakcinės gardelės]] – vorų tinklai, vabzdžių sparnai.

Optinių bangų difrakcijos teorijos pagrindą padėjo F. M. Grimaldi (Grimaldi) (1618–1663), sukūręs terminą „difrakcija“, nuo lotynų „diffringere“, „skaidyti į dalis“ bei apibūdino šviesos elgesį žodžiu „diffractio“, kas reiškė „šviesos nuokrypį nuo sklidimo tiesė“tiesės“ <ref>{{cite book | title = Memoires pour l'histoire des sciences et des beaux arts | author = Jean Louis Aubert | publisher = Impr. de S. A. S.; Chez E. Ganeau| location = Paris | year = 1760 | pages = 149 | url = http://books.google.com/books?vid=OCLC58901501&id=3OgDAAAAMAAJ&pg=PP151&lpg=PP151&dq=grimaldi+diffraction+date:0-1800&as_brr=1 }}</ref><ref>{{cite book | title = A Treatise on Optics | author = Sir David Brewster | year = 1831 | publisher = Longman, Rees, Orme, Brown & Green and John Taylor | location = London | pages = 95 | url = http://books.google.com/books?vid=OCLC03255091&id=opYAAAAAMAAJ&pg=RA1-PA95&lpg=RA1-PA95&dq=grimaldi+diffraction+date:0-1840&as_brr=1 }}</ref>. R. Hukas (Hook) (1635–1703), C. HiugensasHiuigensas (Huygens) (1629–1695) ir T. Jungas

Daugiau kaip du amžius Hiuigenso-Frenelio teorija buvo laikoma labai sėkminga teorija, tiksliai aprašanti šviesos sklidimą tiesinėje terpėje. Šios teorijos pagrindas buvo Hiuigenso paskelbti ir Frenelio matematiškai suformuluoti principai, skelbę, kad (a) visi bangos fronto paviršiai yra antrinių bangų sferiniai šaltiniai ir (b) šviesos laukas visuose busimuosebūsimuose taškuose yra lemiamas šių sferinių šaltinių šviesos superpozicija.

Nedifraguojančių impulsinių pluoštų laisvoje erdvėje sąvoką į optiką įvedė 1983 m. J. N. Britingemas (Brittingham) paskelbęs <ref>{{cite journal | journal=J. Appl. Phys.| title=Focus wave modes in homogeneous Maxwell equations: Transverse electric mode | last=Brittingham | first=J.N. | volume=54 | pages=1179 | year=1983 }}</ref>, kad jis aptiko trimačių, neplintančių, laisvoje, bekrūvėje erdvėje sklindančių, klasikinių elektromagnetinių impulsų šeimą, kurie sklinda išilgai tiesės šviesos greičiu (vėliau jie buvo pavadinti židinio bangų modomis, nuo angl. „focus wave modes“). Pati antrinių sferinių šaltinių idėja klasikinės optikos difrakcijos teorijoje savo esmėje slepia teiginį, kad bet kokio impulsinio bangų paketo erdvinis amplitudžių skirstinys turi sklidimo metu išplisti kaip skersinėje, taip ir išilginėje plokštumoje. Iš šių pozicijų Brittingham’o atradimas buvo stulbinantis ir sąlygojo didelį susidomėjimą bei abejones. Tačiau, originalios nedifraguojančios bangos buvo, be abejonės, Maksvelo (Maxwell) lygčių sprendinys ir šis prieštaravimas turėjo būti paaiškintas. Britingemas’as teigė, kad matematinė nedifraguojančių bangų formuluotė (a) tenkina homogenines [[Maksvelo lygtys|Maksvelo lygtis]], (b) yra tolydi ir netrūki banga, (c) pasižymi trimačio impulso sandara, (d) neplinta laike, (e) juda šviesos greičiu išilgai tiesės ir (f) perneša baigtinį kiekį elektromagnetinio lauko energijos. Tuo būdu, šiosŠios matematinės formulės nusako trimatį elektromagnetinį darinį, kuris gali būti apibūdintas kaip „šviesos kulka“. Nors paskutinis teiginys, kaip buvo parodyta vėliau <ref>{{cite journal | journal=J. Appl. Phys.| title=Comments on focus wave modes in homogeneous. Maxwell equations: Transverse electric mode | last= Wu | first=T. T.| coauthors = R. W. P. King | volume=56 | pages=2587 | year=1984 }}</ref>, buvo neteisingas, darbas pagimdė pačią šviesos kulkų idėją ir sąlygojo kitų uždarų Maksvelo lygčių sprendinių, pasižyminčių panašiomis savybėmis atsiradimą.

, tad prieštaravimas su klasikinėklasikine Hiuigenso-Frenelio teorija buvo panaikintas. Po kiek laiko R. W. Ciolkovskis (Ziolkowski) parodė, kad begalinės energijos židinio bangų modų superpozicija gali sąlygoti baigtinės energijos darinio atsiradimą <ref>{{cite journal | journal=J. Math. Phys.| title=Exact solutions of the wave equation with complex source locations | last=Ziolkowski | first=R. W. | volume=26 | pages=861 | year=1985 }}</ref>. Šis rezultatas sąlygojo baigtinės energijos bei uždaros formos bangų ir Maksvelo lygčių sprendinių atsiradimą – „elektromagnetinių kryptingų impulsų vorų“ (angl. “electromagnetic directed-energy pulse trains” (EDEPT)) <ref>{{cite journal | journal=Phys. Rev. A| title=Localized transmission of electromagnetic energy | last=Ziolkowski | first=R. W. | volume=39 | pages=2005 | year=1989 }}</ref>, <ref>{{cite journal | journal=Phys. Rev. A| title=Localized wave physics and engineering | last=Ziolkowski | first=R. W. | volume=44 | pages=3960 | year=1991 }}</ref>, pliūpsnio impulsų (angl. „splash pulses“), elektromagnetinių raketų <ref>{{cite journal | journal=J. Appl. Phys.| title=Electromagnetic missile | last=Wu | first=T. T. | volume=57 | pages=2370 | year=1985 }}</ref> ir kt.

Tačiau, iki 1987 m., kuomet Durnin’as paskelbė savo darbą apie nedifraguojančius [[Beselio pluoštas|Beselio pluoštus]] <ref>{{cite journal | journal=Phys. Rev. Lett.| title=Diffraction-Free Beams | last= Durnin | first=J.| coauthors = J. J. Miceli, J. M. Eberly | volume=58 | pages=1499 | year=1987 }}</ref>, <ref>{{cite journal | journal= J. Opt. Soc. Am. A | title=Exact solutions for nondiffracting beams. I. The scalar theory | last= Durnin | first=J. volume=4 | pages=651 | year=1987 }}</ref>, didžioji dalis pastangų suvokti fizikinę mechanizmo esmę buvo iš esmės bevaisės. Tam trukdė teoriniuose darbuose naudojami [[Plokščia banga|plokščių bangų]] skleidiniai, paslepiantys kūginę šio reiškinio esmę. Matematiniu požiūriu lokalizuotas elektromagnetinis laukas yra aprašomas keturmačiu integralu pagal visus įmanomus plokščių bangų laisvės laipsnius. Durnin’o cilindrinių nedifraguojančių bangų idėja sukėlė susidomėjimą ir teoriniuose darbuose buvo pradėti taikyti skleidiniai [[Beselio funkcija|Beselio funkcijomis]]. Šis metodas pasirodė efektyvus, ir [[Akustika|akustikoje]] buvo aptiktos “X-bangos” – kitas uždaros formos nedifraguojantis begalinės energijos laukas <ref>{{cite journal | journal=IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control| title=Nondiffracting X-waves: Exact solutions to free-space scalar wave equation and their finite aperture realizations | last= Lu | first=J.-Y.| coauthors = J. G. Greenleaf| volume=39 | pages=19 | year=1992 }}</ref>, <ref>{{cite journal | journal=Ultrasound in Mol. & Biol.| title=Biomedical ultrasound beam forming | last= Lu | first=J.-Y.| coauthors = J. G. Greenleaf| volume=20 | pages=403 | year=1994 }}</ref>. Tačiau, dėl savo teorinio išvedimo metodo, fizikinė reiškinio esmė buvo aiški – skirtingo dažnio bei amplitudžių Beselio pluoštų superpozicija, kurių bangų vektoriai guli ant to paties kūgio. Iš akustikos šios bangos atkeliavo ir į [[Optika|optiką]] <ref>{{cite journal | journal=Phys. Rev. | title=Unified description of nondiffracting X and Y waves | last= Salo | first=J.| coauthors = J. Fagerholm, A. T. Friberg, and M. M. Salomaa | volume=62 | pages=4260 | year=2000 }}</ref>.

Nedifraguojančių bangų koncepcija neprieštarauja difrakcijos teorijai, kadangi optikoje yra žinomi pavyzdžiai, kuomet fizikinis procesas pasireiškia ne vien tik destruktyviai, bet ir konstruktyviai. Ryškiausias tokio fizikinio proceso pavyzdys optikoje yra bangų [[interferencija]]. NedifraguojančiosNedifraguojančių bangų fenomenas egzistuoja dėl trapaus balanso tarp konstruktyvios interferencijos ir destruktyvios difrakcijos.

Elementari nedifraguojanti monochromatinė banga yra [[plokščia banga]] – jos [[amplitudė]] ir [[intensyvumas]] nekinta erdvėje, tokiu būdu, jai sklindant jokie pokyčiai joje nevyksta, o bangos energija yra begalinė. Plokščią elektromagnetinę bangą aprašo formulė

kur '''E''' yra bangos [[poliarizacija|poliarizaciją]] nusakantis [[vektorius]], o '''r''' – vektorius, jungiantis koordinačių pradžią su nagrinėjamu tašku, o '''k''' yra– [[bangos vektorius]]. Baigtinės energijos atitikmuo šiai bangai yra [[Gauso pluoštas]], kuris su baigtinės energijos įgijimu prarado savo isodifrakcines savybes.