Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/BasicLatin.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

6.6: Наближення Френеля та Фраунгофера

Наближення Френеля і Фраунгофера - це два наближення інтеграла Релей-Зоммерфельда (6.13). Наближення базуються на припущенні, що поле поширювалося на досить велику відстаньz. У наближенні Фраунгофера,z має бути дуже великим, тобто набагато більшим, ніж для наближення Френеля, щоб провести. Якщо говорити по-іншому: у порядку найбільш точної та найменш точної (тобто дійсної лише для великих відстаней поширення), дифракційні інтеграли будуть оцінюватися як:

[Найбільш точний] Рейлі-Зоммерфельд Френель Фраунгофер [Найменш точний].

6.5.1.jpg
Малюнок6.6.1: Демонстрація ролей різних просторових частот. Видаляючи високі просторові частоти, залишаються лише широкі риси зображення: ми втрачаємо роздільну здатність. Якщо низькі просторові частоти видаляються, залишаються лише різкі риси (тобто контури) на зображенні.
6.5.2.jpg
Рисунок6.6.2: Демонстрація ролі фази просторового перетворення Фур'є. Якщо інформація про амплітуду видаляється, але інформація про фазу зберігається, деякі особливості вихідного зображення все ще впізнаються. Однак, якщо інформація про фазу видаляється, але інформація про амплітуду зберігається, вихідне зображення повністю втрачається.

6.5.1 Наближення Френеля

Для обох наближень ми припускаємо, щоz в Eq. (6.3.1) настільки великий, що в знаменнику ми можемо наблизитиrzU(x,y,z)=1iλU0(x,y)zreikrr dxdy1iλzU0(x,y)eikr dxdy.

Причина, чому ми не можемо застосувати те саме наближення для показника, полягаєr в тому, що тамr множиться наk=2π/λ, що дуже велике, тому будь-яка помилка, введена наближенням,r буде значно збільшена на kа потім може привести до зовсім іншого значенняexp(ikr)=cos(kr)+isin(kr). Щобr наблизитися до показника,exp(ikr) ми повинні бути обережнішими і замість цього застосувати розширення Тейлора. Нагадаємо, щоr=(xx)2+(yy)2+z2=z(xx)2+(yy)2z2+1.

Ми знаємо, що за невелику кількістьs ми можемо розширитиs+1=1+s2s28+.

Оскільки ми припускали, щоz великий,(xx)2+(yy)2z2 є маленьким, тому ми можемо розширитиr=z(xx)2+(yy)2z2+1z(1+(xx)2+(yy)22z2)=z+(xx)2+(yy)22z, Fresnel approximation. 

З цим наближенням ми дійдемо до дифракційного інтеграла Френеля, який можна записати в наступних еквівалентних формах:U(x,y,z)eikziλzU0(x,y)eik2z[(xx)2+(yy)2]dxdy=eikzeik(x2+y2)2ziλzU0(x,y)eik(x2+y2)2zeik(xzx+yzy)dxdy=eikzeik(x2+y2)2ziλzF{U0(x,y)eik(x2+y2)2z}(xλz,yλz).

Особливо цікавий останній вислів, адже воно показує, що

Інтеграл Френеля - це перетворення Фур'є поля,U0(x,y) помножене на пропагатор Френеляexp(ik(x2+y2)2z).

Зверніть увагу, що цей пропагатор залежить від відстані розмноженняz.

Зауваження. За допомогою перетворення(\(6.6.6)\) Фур'є отримують амплітуди плоских хвиль інтеграла Френеля. Виходить, що ці амплітуди рівніF(U0) помножені на фазовий коефіцієнт. Цей фазовий фактор є параксіальним наближенням точного фазового фактораexp(izkz), заданого, тобто він містить як показник параболічного наближенняkz. Тому наближення Френеля ще називають параксиальним наближенням. Фактично, можна показати, що дифракційний інтеграл Френеля є розв'язком параксіального хвильового рівняння і навпаки, що кожен розв'язок параксиального хвильового рівняння може бути записаний як дифракційний інтеграл Френеля.

6.5.2 Наближення Фраунгофера

Для наближення Фраунгофера зробимо ще одне наближення доr вexp(ikr)rz+(xx)2+(yy)22z Fresnel approximation z+x2+y22xx2yy2z Fraunhofer approximation. 

Отже, ми опустили квадратичні члениx2+y2, і порівняно з дифракційним інтегралом Френеля, ми просто опускаємо коефіцієнт,exp(ik(x2+y2)2z) щоб отримати дифракційний інтеграл Фраунгофера:U(x,y,z)eikzeik(x2+y2)2ziλzF(U0)(xλz,yλz)

Це призводить до наступного важливого спостереження:

Дальнє поле ФраунгофераU0(x,y) - це просто його перетворення Фур'є з додатковим квадратичним фазовим коефіцієнтом.

Зверніть увагу, що координати, за якими ми повинні оцінюватиF(U0) масштаб1/z, іU(x,y,z) загальне поле пропорційне1/z. Це означає, що коли ви вибираєтеz більше (тобто ви поширюєте поле далі), поле просто розтікається, не змінюючи своєї форми, а його амплітуда знижується. Зазначено по-різному,1/z крім фактора перед інтегралом, поле Фраунгофера залежить тільки від кутівx/z amdy/z. Тому поле розходиться у міруz збільшення відстані поширення.

Зрештою, для досить великих відстаней поширення, тобто в межі Фраунгофера, світло завжди поширюється, не змінюючи форми розподілу світла.

Зауваження.

  1. Інтеграл Френеля, як і інтеграл Фраунгофера, також перетворення Фур'є, оцінюється в просторових частотах, які залежать від точки спостереження:ξ=xλz,η=yλz. Однак, на відміну від інтеграла Фраунгофера, інтеграл Френеля додатково по-іншому залежить від відстані поширення z, А саме через експонент пропагатора в цілісному. Це причина того, що інтеграл Френеля не просто залежить відz через співвідношенняx/z і,y/z але більш складним чином. Тому інтеграл Френеля дає досить різноманітні візерунки в залежності від величини відстані поширенняz, як показано на малюнку6.6.4.
  2. fa,b(x,y)=f(xa,yb)Дозволяти функція,f отримана з перекладу. З загальної властивості перетворення Фур'є:F(fa,b)(ξ,η)=e2πi(ξa+ηb)F(f)(ξ,η). Отже, при перекладі поляU0 інтенсивність в дальньому полі Фраунгофера не змінюється. На відміну від цього, за рахунок додаткового квадратичного фазового фактора в цілісному інтегралі Френеля інтенсивність поля Френеля в ціломуU0 змінюється при перекладі.
  3. Припустимо,U0 що поле відразу заA діаметромD в непрозорому екрані. Потім можна показати, що точки(x,y,z) спостереження, для яких дифракційні інтеграли Френеля і Фраунгофера є досить точними, задовольняють:zλ>(max Припустимо, щоD=1 \mathrm{~mm} і довжина хвилі - зелене світло:\lambda=550 \mathrm{~nm}, то наближення Фраунгофера є точним, якщоz>2 \mathrm{~m}. Нерівність (\PageIndex{6}) достатня для того, щоб формула Френеля була точною, але це не завжди необхідно. Часто наближення Френеля вже є точним для менших відстаней поширення.
  4. Точки спостереження, де можуть бути використані формули Фраунгофера, повинні в будь-якому випадку задовольняти:\frac{x}{z}<1, \quad \frac{y}{z}<1 . \nonumber Коли просторова частотаx / z>1,k_{x}=\frac{2 \pi x}{z \lambda}>k пов'язана з цією точкою, відповідає хвилі, що зникає. Виникаюча хвиля, очевидно, не може сприяти дальньому полю Фраунгофера, оскільки вона експоненціально зменшується з відстаннюz.
  5. У будь-якому вираженні для оптичного поля завжди можна опустити фактори постійної фази, тобто загальної фази, яка не залежить від положення. Якщо хтось цікавиться лише полем у певних площинамz= постійної, то фактор подібний також\exp (i k z) може бути опущений. Крім того, в деяких випадках також опускається залежний від положення фазовий фактор перед дифракційними інтегралами Френеля і Фраунгофера, а саме коли цікавить лише інтенсивність. У вправах зазвичай згадується, що цей фактор може бути опущений: якщо це не заявлено, його слід зберегти у формулах.
6.5.3.jpg
Малюнок\PageIndex{3}: Демонстрація принципу невизначеності. Чим більш обмеженимU(x, y) є, тим більший розкид\mathcal{F}(U)\left(\frac{k_{x}}{2 \pi}, \frac{k_{y}}{2 \pi}\right).
6.5.4.jpg
Рисунок\PageIndex{4}: Приклад інтенсивності полів Френеля квадратної діафрагми, показаних у вигляді контурів і в поперечному перерізі для різних відстаней, які збільшуються від нижнього правого до верхнього лівого. Верхній лівий візерунок дорівнює візерунку Фраунгофера. N_{F}=D^{2} / \lambda zце число Френеля і\lambda=600 \mathrm{~nm} .

6.5.3 Приклади полів Френеля і Фраунгофера

Френеля наближення поля двох точкових джерел.

Розглянемо два точкових джерела в\mathbf{r}_{s}^{+}=(a / 2,0,0) і\mathbf{r}_{s}^{-}=(-a / 2,0,0). Поля кожного з них у точці\mathbf{r}=(x, y, z) задаються значенням (5.6.2)U_{\pm}(\mathbf{r})=\frac{e^{i k\left|\mathbf{r}-\mathbf{r}_{s}^{\pm}\right|}}{\left|\mathbf{r}-\mathbf{r}_{s}^{\pm}\right|} \nonumber

Застосовуємо наближення Френеля для великихz:\begin{aligned} \left|\mathbf{r}-\mathbf{r}_{s}^{\pm}\right| &=z \sqrt{1+\frac{(x \mp a / 2)^{2}+y^{2}}{z^{2}}} \\ & \approx z+\frac{(x \mp a / 2)^{2}+y^{2}}{2 z} \\ &=z+\frac{x^{2}+y^{2}+a^{2} / 4}{2 z} \mp \frac{a x}{2 z} . \end{aligned} \nonumber

Звідси,U_{\pm}(\mathbf{r}) \approx \frac{e^{i k z}}{z} e^{i k \frac{x^{2}+y^{2}}{2 z}} e^{i k \frac{a^{2}}{8 z}} e^{\mp i k \frac{a x}{2 z}}, \nonumber де в знаменнику ми замінили\left|\mathbf{r}-\mathbf{r}_{s}^{\pm}\right| наz. Зверніть увагу, що наближення Фраунгофера становитьe^{i k a^{2} /(8 z)} \approx 1 покиe^{i k \frac{x^{2}+y^{2}}{2 z}} залишається фазовий фактор. Інтенсивність на екраніz= константа загального поля дорівнює\begin{aligned} I_{\text {tot }}(\mathbf{r}) &=\left|U_{+}(\mathbf{r})+U_{-}(\mathbf{r})\right|^{2}=\frac{1}{z^{2}}\left|e^{-i k \frac{a x}{2 z}}+e^{i k \frac{a x}{2 z}}\right|^{2} \\ &=\frac{2}{z^{2}}\left[1+\cos \left(2 \pi \frac{a x}{\lambda z}\right)\right] \end{aligned} \nonumber

Видно, що інтенсивність є результатом інтерференції двох плоских хвиль:\exp [\pm i k a x /(\lambda z)] і задається функцією косинуса (див. Рис.\PageIndex{5}). Зверніть увагу, що для двох точкових джерел картина інтенсивності однакова в наближенні Френеля та Фраунгофера. Однак це особливе для двох точкових джерел: коли розглядається більше двох точкових джерел, візерунки Френеля і Фраунгофера відрізняються. Візерунок інтенсивності не залежить відy і зникає на рядках\frac{x}{z}=(2 m+1) \frac{\lambda}{2 a} \nonumber і має максимуми на рядках\frac{x}{z}=m \frac{\lambda}{a}, \nonumber для цілих чиселm.

Поле Фраунгофера прямокутної діафрагми в екрані.

Нехай екран будеz=0 і діафрагма буде дана-a / 2<x<a / 2,-b / 2<y<b / 2. Функція передачі\tau(x, y) така:\tau(x, y)=1_{[-a / 2, a / 2]}(x) 1_{[-b / 2, b / 2]}(y), \nonumber де1_{[-a / 2, a / 2]}(x)=\left\{\begin{array}{l} 1, \text { if }-\frac{a}{2} \leq x \leq \frac{a}{2}, \\ 0, \text { otherwise }, \end{array}\right. \nonumber і аналогічно для1_{[-b / 2, b / 2]}(y). Нехай щілина буде освітлена перпендикулярної падаючої площиною хвилею з одиничною амплітудою. Тоді поле відразу за екраном є: УU_{0}(x, y)=\tau(x, y)=1_{[-a / 2, a / 2]}(x) 1_{[-b / 2, b / 2]}(y), \nonumber нас є\begin{aligned} \mathcal{F}\left(1_{[-a / 2, a / 2]}\right)(\xi) &=\int_{-a / 2}^{a / 2} e^{-2 \pi i \xi x} \mathrm{~d} x \\ &=\frac{e^{\pi i a \xi}-e^{-\pi i a \xi}}{2 \pi i \xi} \\ &=a \frac{\sin (\pi a \xi)}{\pi a \xi} \\ &=a \operatorname{sinc}(\pi a \xi), \end{aligned} \nonumber де\operatorname{sinc}(u)=\sin (u) / u. Отже,\mathcal{F}\left(U_{0}\right)\left(\frac{x}{\lambda z}, \frac{y}{\lambda z}\right)=a b \operatorname{sinc}\left(\frac{\pi a x}{\lambda z}\right) \operatorname{sinc}\left(\frac{\pi b y}{\lambda z}\right) . \nonumber дальнє поле Фраунгофера прямокутної діафрагми в площині на великій відстаніz виходить шляхом підстановки (\PageIndex{25}) в (\PageIndex{9}).

6.5.5.jpg
Малюнок\PageIndex{5}: Схема інтенсивності Фраунгофера з двох когерентних точкових джерел200 \mathrm{~nm} один від одного (кіл), однакової сили для\lambda=600 \mathrm{~nm}.

Зауваження.

  1. Перший нуль вздовжx -напрямку від центруx=0 відбувається дляx=\pm \frac{\lambda z}{a} . \nonumber Відстань між першими двома нулями вздовжx2 \lambda z / a -осі є і, таким чином, більше, коли ширина вздовжx -direction діафрагма менше.
  2. Нерівності (\PageIndex{14}) означаютьa<\lambda, що коли, шаблон далекого поля не має жодних нулів як функціїx. Тоді важко або навіть неможливо вивести ширинуa з інтенсивності Фраунгофера. Це ілюстрація того, що інформація про розміри менше довжини хвилі не може поширюватися на дальнє поле.
  3. Як показано на малюнку\PageIndex{6}, дифракційна картина Фраунгофера як функція кута дифракції є найвужчою у напрямку, в якому діафрагма є найширшою.
6.5.6.jpg
Малюнок\PageIndex{6}: Дифракційна картина Фраунгофера прямокутної діафрагми в непрозорому екрані. В) ширина отвору вy -напрямку вдвічі більше, ніж вx напрямку. В) ширина вy -напрямку в 10 разів більше, ніж вx -напрямку.

Періодичний масив щілин

Тепер ми можемо передбачити, як виглядатиме дифракційна картина серії щілин скінченної ширини. З малюнка Фраунгофера одного прямокутного отвору випливає, що, якщо сторони, паралельні напрямку, дуже довгі, дифракційна картина Фраунгофера як функція кута в цьому напрямку дуже вузька. На малюнку\PageIndex{6} b показана дифракційна картина Фраунгофера прямокутної діафрагми, ширина якої уy напрямку -10 разів більше, ніж уx -напрямку. Потім дифракційна картина сильно концентрується уздовжx -осі. Якщо розглядати лише шаблон Фраунгофера,y / z=0 поки ще розглядати його як функціюx / z, достатньо обчислити перетворення Фур'є лише щодоx. Потім проблема стає задачею дифракції для одновимірної щілини.

Розглянемо тепер масив таких прорізів, у яких довгі сторони паралельніy -осі і відтепер нехтуютьy -змінною. Припустимо,W_{\text {slit }}(x) це блокова функція, що описує передавальну функцію однієї щілини. Визначаємо гребінь Дірака по\mathrm{II}_{\Delta}(x)=\sum_{m=-\infty}^{\infty} \delta(x-m \Delta) . \nonumber

Тоді передавальна функція нескінченного ряду щілин з скінченною шириною задається згорткою\mathrm{II}_{\Delta}(x) * W_{\text {slit }}(x). Щоб число прорізів було кінцевим, множимо вираз на іншу блокову функціюW_{\text {array }}(x) і отримуємо\tau(x)=\left(\mathrm{II}_{\Delta}(x) * W_{\text {slit }}(x)\right) W_{\text {array }}(x) . \nonumber

Дифракційна картина в далекому полі задається перетворенням Фур'є переданого ближнього поля. Якщо падаюче освітлення - це перпендикулярна плоска хвиля з одиничною амплітудою, передається ближнє поле просто\tau(x). Використовуючи той факт, що згортки в реальному просторі відповідають добуткам у просторі Фур'є і навпаки, і використовуючи той факт, що\mathcal{F}\left\{\mathrm{W}_{\Delta}(x)\right\}=(1 / \Delta) \mathrm{W}_{1 / \Delta}(\xi), \nonumber див. Додаток (Е.9) і (Е.10), знаходимо\mathcal{F}(\tau)=\frac{1}{\Delta}\left[\mathrm{W}_{1 / \Delta} \mathcal{F}\left(W_{\text {slit }}\right)\right] * \mathcal{F}\left(W_{\text {array }}\right). \nonumber

Якщо щілина має ширинуa:\begin{aligned} \frac{1}{\Delta} \mathrm{I}_{1 / \Delta} \mathcal{F}\left(W_{\text {slit }}\right)(\xi) &=\frac{a}{\Delta} \sum_{m=-\infty}^{\infty} \delta\left(\xi-\frac{m}{\Delta}\right) \operatorname{sinc}(\pi a \xi) \\ &=\frac{a}{\Delta} \sum_{m=-\infty}^{\infty} \operatorname{sinc}\left(m \pi \frac{a}{\Delta}\right) \delta\left(\xi-\frac{m}{\Delta}\right) . \end{aligned} \nonumber

Якщо загальна ширина масиву дорівнюєA, то\mathcal{F}\left(W_{\text {array }}\right)(\xi)=A \operatorname{sinc}(\pi A \xi), \nonumber і робимо висновок, що\mathcal{F}(\tau)(\xi)=\frac{a A}{\Delta} \sum_{m=-\infty}^{\infty} \operatorname{sinc}\left(m \pi \frac{a}{\Delta}\right) \operatorname{sinc}\left(\pi A\left(\xi-\frac{m}{\Delta}\right)\right) . \nonumber

Поле Фраунгофера масиву щілин (без квадратичного фазового фактора):\mathcal{F}(\tau)\left(\frac{x}{\lambda z}\right)=\frac{a A}{\Delta} \sum_{m=-\infty}^{\infty} \operatorname{sinc}\left(m \pi \frac{a}{\Delta}\right) \operatorname{sinc}\left(\pi A\left(\frac{x}{\lambda z}-\frac{m}{\Delta}\right)\right) . \nonumber

Для напрямків\frac{x}{z}=\theta_{m}=\frac{m \lambda}{\Delta}, \quad m=0, \pm 1, \pm 2, \ldots, \quad \text { diffraction orders } \nonumber поле має локальні максимуми (піки). Ці напрямки називаються дифракційними порядками. Зверніть увагу, що, як пояснювалося вище, слід провести:x / z<1 в поле Fraunhofer far, яке встановлює обмеження на кількість дифрагованих ордерів, що відбуваються. Ця межа залежить від періоду і довжини хвилі і визначається:|m| \leq \Delta / \lambda . \nonumber

Отже, чим більше відношення періоду і довжини хвилі, тим більше порядку дифракції.

Ширина порядку дифракції задається шириною функції (\PageIndex{31}), тобто вона задається\Delta \theta=\frac{\lambda}{A}, \quad \text { angular width of a diffraction order. } \nonumber

Отже, чим більшеA, тобто чим більше щілин в масиві, тим вужчі піки, в які дифрагується енергія.

Властивість (\PageIndex{34}), що кути дифракції порядків залежать від довжини хвилі, використовується для поділу довжин хвиль. Решітчасті спектрометри використовують періодичні структури, такі як цей масив щілин, щоб дуже точно відокремити та виміряти довжини хвиль. Наприклад, для решітки з 1000 періодів можна отримати дозвіл\Delta \lambda / \lambda=10^{-3}.

Амплітуди дифрагованих порядків:\operatorname{sinc}\left(m \pi \frac{a}{\Delta}\right), \nonumber визначаються шириною щілин. Звідси огинаюча (тобто великі риси) дифракційної картини Фраунгофера визначається дрібномасштабними властивостями масиву, а саме шириною прорізів. Це проілюстровано на малюнку\PageIndex{7}. Зауваження. Періодичний ряд щілин є прикладом дифракційної решітки. Решітка - це періодична структура, тобто діелектрична проникність є періодичною функцією положення. Структури можуть бути періодичними в одному, двох і трьох напрямках. Кристал діє як тривимірна решітка, період якої є періодом кристала, тобто кілька Ангстрема. Електромагнітні хвилі довжиною хвилі, рівною одному Ангстрему або менше, називаються рентгенівськими променями. Коли промінь рентгенівських променів висвітлює кристал, детектор у далекому полі вимірює дифракційну картину Фраунгофера, задану інтенсивністю перетворення Фур'є заломленого ближнього поля. Ці дифракційні порядки кристалів для рентгенівських променів, де виявлені фон Лауе і використовуються для вивчення атомної структури кристалів.

6.5.7.jpg
Малюнок\PageIndex{7}: Ілюстрація дифракційного малюнка серії з чотирьох прорізів.