Дифракція хвиль (лат. Diffractus - буквально розламаний, переламаний, огибание перешкоди хвилями) - явище, яке проявляє себе як відхилення від законів геометричної оптики при поширенні хвиль. Вона являє собою універсальне хвильове явище і характеризується одними і тими ж законами при спостереженні хвильових полів різної природи.
Дифракція нерозривно пов'язана з явищем інтерференції. Більш того, саме явище дифракції часто трактують як випадок інтерференції обмежених в просторі хвиль (інтерференція вторинних хвиль). Загальною властивістю всіх ефектів дифракції є залежність ступеня її прояви від співвідношення між довжиною хвилі і характерним розміром неоднорідностей середовища. або неоднорідностей структури самої хвилі. Найбільш помітно вони проявляються при розмірах неоднорідностей, порівнянних з довжиною хвилі. При розмірах неоднорідностей, істотно перевищують довжину хвилі (на 3-4 порядки і більше), явищем дифракції, як правило, можна знехтувати. В останньому випадку поширення хвиль з високим ступенем точності описується законами геометричної оптики. З іншого боку, якщо розмір неоднорідностей середовища багато менше довжини хвилі, то в такому випадку дифракції проявляє себе у вигляді ефекту розсіювання хвиль. [1]
Спочатку явище дифракції трактувалося як огибание хвилею перешкоди. тобто проникнення хвилі в область геометричної тіні. З точки зору сучасної науки визначення дифракції як огибания світлом перешкоди визнається недостатнім (занадто вузьким) і не цілком адекватним. Так, з дифракцією пов'язують вельми широке коло явищ, що виникають при поширенні хвиль (в разі обліку їх просторового обмеження) в неоднорідних середовищах.
Дифракція хвиль може проявлятися:
§ в перетворенні просторової структури хвиль. В одних випадках таке перетворення можна розглядати як «заокруглення» хвилями перешкод, в інших випадках - як розширення кута поширення хвильових пучків або їх відхилення в певному напрямку;
§ в розкладанні хвиль по їх частотному спектру;
§ в перетворенні поляризації хвиль;
§ в зміні фазової структури хвиль.
Тонкощі в тлумаченні терміну «дифракція»
У явищі дифракції важливу роль відіграють вихідні розміри області хвильового поля і вихідна структура хвильового поля, яка схильна до суттєвої трансформації в разі, якщо елементи структури хвильового поля можна порівняти з довжиною хвилі або менше її.
Наприклад, обмежений в просторі хвильовий пучок має властивість «розходитися» ( «розпливатися») в просторі в міру поширення навіть в однорідному середовищі. Дане явище не описується законами геометричної оптики і відноситься до дифракційним явищ (дифракційна розбіжність, дифракційне розпливанню хвильового пучка).
Початкове обмеження хвильового поля в просторі і його певна структура можуть виникнути не тільки за рахунок присутності поглинаючих чи що відбивають елементів, але і, наприклад, при породженні (генерації, випромінюванні) даного хвильового поля.
Слід зауважити, що в середовищах, в яких швидкість хвилі плавно (в порівнянні з довжиною хвилі) змінюється від точки до точки, поширення хвильового пучка є криволінійним (див. Градиентная оптика, градієнтні хвилеводи, міраж). При цьому хвиля також може огинати перешкоду. Однак таке криволінійне поширення хвилі може бути описано за допомогою рівнянь геометричної оптики, і це явище не відноситься до дифракції.
Разом з тим, у багатьох випадках дифракція може бути і не пов'язана з огибанием перешкоди (але завжди обумовлена його наявністю). Така, наприклад, дифракція на непоглощающіх (прозорих), так званих фазових, структурах.
Оскільки, з одного боку, явище дифракції світла виявилося неможливим пояснити з точки зору променевої моделі, тобто з точки зору геометричної оптики, а з іншого боку, дифракція отримала вичерпне пояснення в рамках хвильової теорії, то спостерігається тенденція розуміти її прояв як будь-який відступ від законів геометричної оптики.
При цьому слід зауважити, що деякі хвильові явища не описуються законами геометричної оптики і, в той же час, не належать до дифракції. До таких типово хвильовим явищ належить, наприклад, обертання площини поляризації світлової хвилі в оптично активному середовищі, яке дифракцией не є.
Разом з тим, єдиним результатом так званої колінеарний дифракції з перетворенням оптичних мод може бути саме поворот площини поляризації, в той час як дифрагованим хвильової пучок зберігає вихідний напрямок поширення. Такий тип дифракції може бути реалізований, наприклад, як дифракція світла на ультразвуку в двулучепреломляющего кристалах, при якій хвильові вектори оптичної та акустичної хвиль паралельні один одному.
Ще один приклад: з точки зору геометричної оптики неможливо пояснити явища, які відбуваються в так званих пов'язаних волноводах, хоча ці явища також не відносять до дифракції (хвильові явища, пов'язані з «витікаючими» полями).
Розділ оптики «Оптика кристалів», що має справу з оптичною анізотропією середовища, також має лише непряме відношення до проблеми дифракції. У той же самий час він потребує корегування використовуваних уявлень геометричній оптики. Це пов'язано з різницею в понятті променя (як напрямку поширення світла) і поширення хвильового фронту (тобто напрямки нормалі до нього)
Відступ від прямолінійності поширення світла спостерігається також в сильних полях тяжіння. Експериментально підтверджено, що світло, що проходить поблизу масивного об'єкта, наприклад, поблизу зірки, відхиляється в її полі тяжіння в бік зірки. Таким чином, і в даному випадку можна говорити про «обгинанні» пучком перешкоди. Однак, це явище також не відноситься до дифракції.
Окремі випадки дифракції
Історично в проблемі дифракції спочатку розглядалися два крайніх випадки, пов'язаних з обмеженням перешкодою (екраном з діркою) сферичної хвилі і це була дифракція Френеля, або плоскої хвилі на щілині або системі отворів - дифракція Фраунгофера