Diffraction Theory 1
2
๐น ิฆ ๐ , ๐ข ๐ 2 ๐ 4 ๐ 3 ๐ 5 ๐ 1 + ๐น 2 ิฆ ๐ , ๐ข + ๐น 5 ิฆ ๐ , ๐ข ๐น ิฆ ๐ , ๐ข = ๐น 1 ิฆ ๐ , ๐ข + ๐น 3 ิฆ ๐ , ๐ข + ๐น 4 ิฆ ๐ , ๐ข + โฆ = เท ๐น ๐ ิฆ ๐ , ๐ข ๐ ๐ 1 ๐ ๐ ๐ ๐ 1 โ ๐ ๐ข + ๐ 1 + ๐น 0,2 + ๐น 0,3 + ๐น 0,4 + ๐น 0,5 ๐น 0,1 ๐ ๐ ๐ ๐ 2 โ ๐ ๐ข + ๐ 2 ๐ ๐ ๐ ๐ 3 โ ๐ ๐ข + ๐ 3 ๐ ๐ ๐ ๐ 4 โ ๐ ๐ข + ๐ 4 ๐น ิฆ ๐ , ๐ข = ๐ ๐ ๐ ๐ 5 โ ๐ ๐ข + ๐ 5 + โฏ ๐ 2 ๐ 3 ๐ ๐ 5 4 ๐น 0,๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข + ๐ ๐ = เท ๐ ๐ 3 ๐
Huygens-Fresnel Principle 4
๐น 0,๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ โ ๐ ๐ข + ๐ ๐ ๐น ๐, ๐, ๐ข = เท ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง, ๐จ เท เถต ๐๐ง ๐๐จ ๐ ๐น 0 ๐ง, ๐จ ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง, ๐จ โ ๐ ๐ข + ๐ ๐ง, ๐จ = เถต ๐๐ง ๐๐จ ๐ ๐ง, ๐จ ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ ๐ง ๐ ๐ ๐ก ๐จ ๐ ๐ก 2 + ๐ โ ๐ง 2 + ๐ โ ๐จ 2 ๐ ๐ง, ๐จ = 5
Fresnel Diffraction 1 + ๐ โ ๐ง 2 + ๐ โ ๐จ 2 ๐ก 2 + ๐ โ ๐ง 2 + ๐ โ ๐จ 2 = ๐ก 1 + ๐ 2 ๐ ๐ง, ๐จ = = ๐ก ๐ก 2 ๐ก 2 ๐ 2 โก ๐ โ ๐ง 2 + ๐ โ ๐จ 2 ๐ก 2 ๐ก 2 = ๐ก 1 + ๐ 2 2 โ ๐ 4 8 + ๐ 6 16 โ 5 ๐ 8 128 + โฏ ๐ ๐ก ๐๐๐ฆ ๐ 4 Fresnel Approximation โช ๐ 8 ๐ ๐ง, ๐จ โ ๐ก 1 + ๐ 2 = ๐ก 1 + ๐ โ ๐ง 2 + ๐ โ ๐จ 2 2 ๐ก 2 2 ๐ก 2 2 = ๐ก + ๐ 2 + ๐ 2 + ๐ง 2 + ๐จ 2 โ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ 2 ๐ก ๐ก 2 ๐ก 6
๐ ๐ก ๐๐๐ฆ ๐ 4 Fresnel Approximation โช ๐ 8 ๐ ๐ง, ๐จ โ ๐ก + ๐ 2 + ๐ 2 + ๐ง 2 + ๐จ 2 โ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ 2 ๐ก ๐ก 2 ๐ก ๐น 0 ๐ง, ๐จ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง, ๐จ โ ๐ ๐ข + ๐ ๐ง, ๐จ ๐น ๐, ๐, ๐ข = เถต ๐๐ง ๐๐จ ๐ ๐ง, ๐จ ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ ๐ก + ๐ 2 +๐ 2 + ๐ง 2 +๐จ 2 ๐น 0 ๐ง, ๐จ ๐ ๐ง+๐ ๐จ ๐ ๐ ๐ โ โ ๐ ๐ข + ๐ ๐ง, ๐จ โ เถต ๐๐ง ๐๐จ 2 ๐ก ๐ก 2 ๐ก ๐ก ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ 7
๐ ๐ก ๐๐๐ฆ ๐ 4 Fresnel Approximation โช ๐ 8 ๐ ๐ง, ๐จ โ ๐ก + ๐ 2 + ๐ 2 + ๐ง 2 + ๐จ 2 โ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ 2 ๐ก ๐ก 2 ๐ก In addition to Fresnel Approximation: Fraunhofer Diffraction also known as Far-Field Diffraction ๐ ๐๐๐ฆ ๐ง 2 + ๐จ 2 โช ๐ 2 ๐ก Fraunhofer Approximation ๐๐๐ฆ ๐ง 2 + ๐จ 2 โช 1 ๐ ๐ก 8
๐ 2 โก ๐ก 2 + ๐ 2 + ๐ 2 ๐ก 2 + ๐ โ ๐ง 2 + ๐ โ ๐จ 2 ๐ 2 โ 2 ๐ ๐ง โ 2 ๐ ๐จ + ๐ง 2 + ๐จ 2 ๐ ๐ง, ๐จ = = 1 + โ2 ๐ ๐ง โ 2 ๐ ๐จ + ๐ง 2 + ๐จ 2 โ ๐ โ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ = ๐ ๐ 2 ๐ ๐น 0 ๐ง, ๐จ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง, ๐จ โ ๐ ๐ข + ๐ ๐ง, ๐จ ๐น ๐, ๐, ๐ข = เถต ๐๐ง ๐๐จ ๐ ๐ง, ๐จ ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ โ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ ๐น 0 ๐ง, ๐จ โ ๐ ๐ข + ๐ ๐ง, ๐จ ๐ โ เถต ๐ ๐๐ง ๐๐จ ๐ ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ = ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐น 0 ๐ง, ๐จ ๐ ๐ ๐ ๐ง,๐จ ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ เถต ๐๐ง ๐๐จ ๐ ๐ ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ 9
Fraunhofer Diffraction ๐ง ๐ 2 โก ๐ก 2 + ๐ 2 + ๐ 2 ๐ ๐ ๐ ๐ก ๐จ ๐ ๐น ๐, ๐, ๐ข = ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐น 0 ๐ง, ๐จ ๐ ๐ ๐ ๐ง, ๐จ ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ เถต ๐๐ง ๐๐จ ๐ ๐ ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ 10
Illumination at the Aperture: In the examples to follow, we will consider a flat wavefront at normal incidence on the aperture Inside the aperture ๐น 0 { ๐น 0 ๐ง, ๐จ ๐ ๐ ๐ ๐ง, ๐จ = Outside the aperture 0 ๐น ๐, ๐, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ เถต ๐๐ง ๐๐จ ๐ ๐ ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ 11
Apertures considered here: 1. Single Slit 2. Double Slit 3. Rectangular Aperture 4. Circular Aperture 12
๐ง 1. Single Slit ๐ ๐จ ๐ง ๐ก๐๐ ๐ = ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ก ๐ ๐ 2 + ๐ก 2 ๐ โก ๐ ๐จ ๐ 2 + เต ๐น ๐, ๐, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง ๐๐ง เถฑ ๐ ๐ 2 โ เต 13
1. Single Slit, cont. ๐น ๐, ๐, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ ๐ ๐ข ๐ ๐ก๐๐๐ ๐ ๐ ๐ 2 ๐ฝ โก ๐น ๐ 2 ๐ ๐ฝ 0 โก ๐น 0 2 ๐ฝ ๐, ๐ = ๐ฝ 0 ๐ก๐๐๐ 2 ๐ ๐ ๐ 2 ๐ 2 ๐ 2 2 ๐ ๐(๐๐) ๐ ๐ ๐ ๐ geometrical zeros at ๐ = 50 ยต๐ = ๐ ๐ shadow 2 ๐ ๐ = 0.6 ยต๐ ๐ 1 with ๐ = ยฑ1, ยฑ2, ยฑ3 ๐ก = 1 ๐ ๐ โ 1 ๐ ๐ = ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ โ1 ๐ ๐ฝ ๐ฝ 0 ๐ เต ๐ก๐๐ ๐ ๐ = ๐ ๐ = ๐ ๐ ๐ ๐ 14
Mathematica 15
2. Double Slit ๐ง ๐ 2 + เต ๐ 2 เต ๐ ๐ 2 โ เต ๐ 2 เต ๐ ๐จ โ๐ 2 + เต ๐ 2 เต ๐ โ๐ 2 โ เต ๐ 2 เต 16
๐ง ๐ก๐๐ ๐ = ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ก ๐ ๐ 2 + ๐ก 2 ๐ โก ๐ ๐จ โ๐ 2+ เต ๐ 2 ๐ 2+ เต ๐ 2 เต เต ๐น ๐, ๐, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง ๐๐ง + ๐ ๐ง ๐๐ง เถฑ เถฑ ๐ โ๐ 2โ เต ๐ 2 ๐ 2โ เต ๐ 2 เต เต = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐ ๐ก๐๐๐ ๐ ๐ ๐ 2 ๐๐๐ก ๐ ๐ ๐ ๐ 2 ๐ 2 ๐ 17
๐น ๐, ๐, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐ ๐ก๐๐๐ ๐ ๐ ๐ 2 ๐๐๐ก ๐ ๐ ๐ ๐ 2 ๐ 2 ๐ ๐ฝ ๐, ๐ = 4 ๐ฝ 0 ๐ก๐๐๐ 2 ๐ ๐ ๐ ๐๐๐ก 2 ๐ ๐ ๐ ๐ฝ 0 โก ๐น 0 2 2 ๐ 2 ๐ 2 2 ๐ 2 ๐ ๐ ๐ Mathematica 18
3. Rectangular Aperture ๐ง ๐ ๐ ๐จ 19
๐น ๐, ๐, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ เถต ๐๐ง ๐๐จ ๐ ๐ ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ ๐ 2 ๐ 2 เต เต = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ง ๐๐ง ๐ ๐จ ๐๐จ เถฑ เถฑ ๐ โ๐ 2 โ๐ 2 เต เต = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐ ๐ก๐๐๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ก๐๐๐ ๐ ๐ ๐ ๐ 2 ๐ 2 ๐ 20
๐ฝ ๐, ๐ = ๐ฝ 0 ๐ก๐๐๐ 2 ๐ ๐ ๐ ๐ก๐๐๐ 2 ๐ ๐ ๐ 2 ๐ 2 ๐ ๐ฝ 0 โก ๐น 0 2 2 ๐ 2 ๐ 2 ๐ 2 ๐ ๐ 21
Emission of Semiconductor Laser 22
4. Circular Aperture ๐ง = ๐ ๐ก๐๐ ๐ ๐ง ๐ ๐ ๐ ๐จ ๐จ = ๐ ๐๐๐ก ๐ 23
Observation Plane ๐ ๐ ๐ = ๐ ๐ก๐๐ ฮฆ ฮฆ ๐ ๐ = ๐ ๐๐๐ก ฮฆ 24
๐น ๐, ๐, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ เถต ๐๐ง ๐๐จ ๐ ๐ ๐๐๐๐ ๐ข๐ฃ๐ ๐ ๐ ๐ง + ๐ ๐จ = ๐ ๐ก๐๐ ฮฆ ๐ ๐ก๐๐ ๐ + ๐ ๐๐๐ก ฮฆ ๐ ๐๐๐ก ๐ = ๐ ๐ ๐๐๐ก ฮฆ ๐๐๐ก ๐ + ๐ก๐๐ ฮฆ ๐ก๐๐ ๐ = ๐ ๐ ๐๐๐ก ๐ โ ฮฆ ๐๐ง ๐๐จ = ๐ ๐๐ ๐๐ ๐ 2๐ ๐น ๐, ฮฆ, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐๐ ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐๐๐ก ๐ โ ฮฆ เถฑ ๐ ๐๐ เถฑ ๐ ๐ 0 0 Due to axial symmetry, we can choose: ฮฆ = 0 25
A couple of integrals to solve: ๐ 2๐ ๐น ๐, ฮฆ, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐๐ ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐๐๐ก ๐ เถฑ ๐ ๐๐ เถฑ ๐ ๐ 0 0 26
2๐ 1 ๐๐ ๐ ๐ ๐ฃ ๐๐๐ก ๐ โก ๐พ 0 ๐ฃ Bessel function 2 ๐ เถฑ of order zero 0 ๐ 2๐ ๐น ๐, ฮฆ, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ข ๐๐ ๐ โ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐๐๐ก ๐ เถฑ ๐ ๐๐ เถฑ ๐ ๐ 0 0 27
๐ฃ โก โ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐น ๐, ฮฆ, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ ๐ ๐ข ๐ ๐๐ ๐พ 0 โ ๐ ๐ 2 ๐ เถฑ ๐ ๐ ๐ 0 2 ๐ ๐ฝ โก โ๐ ๐ ๐ ๐๐ = ฮฑ ๐ฮฑ ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐ ๐ ๐ ๐ 2 = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ ๐ ๐ข ๐ 2 ๐ เถฑ ฮฑ ๐ฮฑ ๐พ 0 ฮฑ ๐ ๐ ๐ 0 28
๐ฝ เถฑ ๐ฝ ๐พ 0 ๐ฝ ๐๐ฝ โก ๐ฝ ๐พ 1 ๐ฝ 0 29
โ๐ ๐ ๐ ๐ 2 ๐น ๐, ฮฆ, ๐ข = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ ๐ ๐ข ๐ 2 ๐ เถฑ ฮฑ ๐ฮฑ ๐พ 0 ฮฑ ๐ ๐ ๐ 0 2 โ๐ ๐ ๐ = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ ๐ ๐ข ๐ โ๐ ๐ ๐ 2 ๐ ๐พ 1 ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ 2 2 ๐พ 1 ๐ ๐ ๐ = ๐น 0 ๐ ๐ ๐ ๐ โ ๐ ๐ข ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ 30
2 2 ๐พ 1 ๐ ๐ ๐ ๐ฝ 0 โก ๐น 0 2 ๐ 2 ๐ 2 ๐ ๐ 2 2 ๐ฝ ๐, ฮฆ = ๐ฝ 0 ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ฝ ๐ฝ 0 เต ๐ ๐ ๐ ๐ 31
Recommend
More recommend