Дифракционный предел

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Дифракцио́нный преде́л — это минимальное значение размера пятна (пятно рассеяния), которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение. Меньший размер пятна не позволяет получить явление дифракции электромагнитных волн.

Дифракционный предел был открыт в 1873 году Эрнстом Аббе.

Минимальный дифракционный предел определяется формулой dmin=λ/2n, где λ — длина электромагнитной волны в вакууме, n — показатель преломления среды. Иногда под дифракционным пределом понимается не линейный, а угловой размер, определяемый по формуле ψmin=1,22*λ/D (критерий Рэлея[1], предложен в 1879 году), где D — апертура оптического прибора.

Значение дифракционного предела в оптике и технике[править | править исходный текст]

Дифракционный предел накладывает ограничения на характеристики оптических приборов:

  • Оптический микроскоп не способен различать объекты, размер которых меньше значения λ/(2·n·sinθ), где θ - так называемый апертурный угол (у хороших микроскопов θ близок к 90°, и следовательно, предельное разрешение близко к дифракционному пределу λ/2n).
  • При изготовлении микросхем методом фотолитографии минимальный размер каждого элемента микросхемы не может быть меньше дифракционного предела, что ограничивает совершенствование технологического процесса.
  • Принцип действия оптического диска заключается в считывании информации сфокусированным лучом лазера, поэтому дифракционный предел накладывает ограничение на максимальную плотность информации.
  • Разрешающая способность телескопа не может быть больше ψmin (т.е. два точечных источника света, расположенные на угловом расстоянии меньше ψmin, будут наблюдаться как один источник). Однако, разрешение земных оптических телескопов ограничивает не дифракционный предел, а атмосферные искажения (дифракционный предел самых больших телескопов составляет порядка 0.01 угловой секунды, но из-за атмосферных искажений реальное разрешение обычно не превышает 1 секунду). В то же время, разрешение радиотелескопов и радиоинтерферометров, а также космических телескопов, ограничивается именно дифракционным пределом.

Методы уменьшения дифракционного предела[править | править исходный текст]

  • Дифракционный предел dmin пропорционален длине волны, следовательно, уменьшить его можно, используя более коротковолновое излучение. Например, использование фиолетового лазера (λ=406 нм) вместо красного (λ=650 нм) позволило увеличить емкость оптических дисков с 700 Мб (CD) до 25 Гб (Blu Ray), переход на коротковолновые (ультрафиолетовые) лазеры позволяет постоянно совершенствовать технологические нормы производства микросхем, использование рентгеновского диапазона позволяет на порядки повысить разрешающую способность микроскопов (см. Рентгеновский микроскоп).
  • Дифракционный предел обратно пропорционален показателю преломления среды. Поэтому, его можно значительно уменьшить, помещая объект в прозрачную среду с большим коэффициентом преломления. Это используется в оптической микроскопии (см. Иммерсия) и в фотолитографии (см. Иммерсионная литография).
  • Угловой дифракционный предел ψmin обратно пропорционален диаметру апертуры, поэтому повысить разрешение можно, увеличивая апертуру телескопа. Однако, на практике, разрешение больших телескопов лимитируется не дифракционным пределом, а атмосферными искажениями, а также дефектами геометрии зеркала (либо неравномерностью состава линзы для рефракторов) поэтому дифракционный предел имеет значения только для радиотелескопов и для космических оптических телескопов. В радиоастрономии повысить разрешение можно, применяя радиоинтерферометрию со сверхдлинными базами. Если два радиотелескопа работают в режиме радиоинтерферометра, то дифракционный предел будет определяться формулой ψmin=λ/L, где L - расстояние между радиотелескопами (так называемая база радиоинтерферометра). Например, космический радиотелескоп Радиоастрон (максимальная база 400 000 км) имеет разрешение от 8 до 540 микросекунд дуги в зависимости от длины волны, что на 2-5 порядков лучше, чем у лучших оптических телескопов.

Преодоление дифракционного предела[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]