Разница между дифракцией Фраунгофера и дифракцией Френеля

Вы правы в том, что при дифракции происходит только один набор физических явлений. Причина, по которой люди говорят о двух разных видах, заключается в том, что в задаче о дифракции есть два естественных предела.

Интенсивность света, который вы видите в любой точке, является вкладом всех точек в апертуре, где вклад любой точки уменьшается по мере удаления, и каждый вклад накапливает фазу на своем пути. Именно различия в длине пути от различных частей нашей апертуры до точки интереса приводят к интересному явлению интерференции, связанному с дифракцией.

Рассмотрим отверстие с характерным размером$a$, и представьте, что вы пытаетесь вычислить дифракцию в точке, примерно соответствующей апертуре на некотором расстоянии.$d$от точки в центре апертуры. Мы можем оценить относительную разность фаз по точке в центре апертуры и точке у ее края, а именно

$$\Delta \phi = k ( d_{\text{edge}} - d_{\text{center}})$$ куда $k$волновое число нашего света. Мы можем оценить эту разницу в длине, используя некоторый простой триггер.

$$\Delta \phi = k \left( \sqrt{ d^2 + a^2 } - d \right) \sim \frac{ k a^2 }{ 2 d }$$

Таким образом, в нашей задаче существует естественный компромисс между размером нашей апертуры и расстоянием, которое мы от нее находимся. В частности, мы можем разделить задачу на два предела, один из которых$d \ll ka^2$где мы ожидаем большие различия в фазовом вкладе ($\Delta \phi \gg 1$) и$d \gg k a^2$где мы ожидаем небольшой разницы в фазовом вкладе ($\Delta \phi \ll 1$). Это области Френеля и Фраунгофера соответственно. Я включил маленькую картинку для иллюстрации.

Как вы можете себе представить, эти два предела имеют очень разные качественные явления, поэтому люди говорят о них как о двух разных видах дифракции. В пределе Френеля у вас в основном отбрасываемые тени типа геометрической оптики, возможно, с некоторыми волнистыми кусочками по краям вашей тени, тогда как в области Фраунгофера наша волна распространяется на большую область и начинает мешать различным частям отбрасываемого изображения. . Это приводит к наблюдаемому поведению дифракции Фраунгофера, соответствующему преобразованию Фурье апертуры.

В случае видимого света это характерное расстояние довольно велико,

$$ka^2 \sim \left( \frac{ a }{ 1 \text{ cm}} \right)^2 \frac{ 2 \pi }{ 550 \text{ nm} } \sim 1 \text{ km } \left( \frac{ a }{ 1 \text{ cm}} \right)^2$$ так что дифракцию Фраунгофера нельзя увидеть напрямую. Вот почему вы обычно видите дифракцию Фраунгофера, связанную с использованием линзы, поскольку собирающая линза позволяет вам гораздо более практично рассматривать эту картину в дальнем поле.

Ссылка

Приложения классической физики Роджера Д. Бландфорда и Кипа С. Торна - Глава 8 - Дифракция

Дифракция Френеля: означает, что источник света и экран находятся на конечном расстоянии от препятствия. В этом случае никакие линзы не используются для того, чтобы сделать лучи параллельными. Фронт волны может быть сферическим или цилиндрическим.

Дифракция Фраунгофера: в дифракции Френселя источник и экран находятся на конечном расстоянии от препятствия, но в этом случае источник света и экран находятся на бесконечном расстоянии от препятствия. В этом случае за счет использования линзы образуются параллельные лучи и плоские волновые фронты.

Дифракция Фраунгофера - это дифракция в дальнем поле , где применяется приближение плоской волны, а картины не зависят от расстояния между источником и апертурой.

Это отличается от дифракции Френеля ( ближнего поля ), которая возникает, когда волна дифрагирует в ближнем поле, в результате чего любая наблюдаемая дифракционная картина различается по размеру и форме в зависимости от расстояния между апертурой и проекцией.

В оптике дифракция Фраунгофера (названная в честь Йозефа фон Фраунгофера), или дифракция в дальней зоне, представляет собой форму дифракции волн, которая возникает, когда волны поля проходят через апертуру или щель, в результате чего изменяется только размер наблюдаемого изображения апертуры из-за расположение наблюдения в дальней зоне и все более плоский характер исходящих дифрагированных волн, проходящих через апертуру.

Он наблюдается на расстояниях, выходящих за пределы ближнего поля дифракции Френеля, что влияет как на размер, так и на форму наблюдаемого изображения апертуры, и возникает только тогда, когда число Френеля$F \ll 1$, в котором можно применить приближение параллельных лучей.

С другой стороны, дифракция Френеля или дифракция ближнего поля представляет собой процесс дифракции, который происходит, когда волна проходит через отверстие и дифрагирует в ближнем поле, в результате чего любая наблюдаемая дифракционная картина различается по размеру и форме в зависимости от расстояния между апертура и проекция. Это происходит из-за малого расстояния, на которое распространяются дифрагированные волны, в результате чего число Френеля больше 1 ($F > 1$). При увеличении расстояния исходящие дифрагированные волны становятся плоскими и возникает дифракция Фраунгофера.

Источник: http://www.diffen.com/difference/Fraunhofer_Diffraction_vs_Fresnel_Diffraction