Difraktsioon

Näited

Difraktsiooninähtuseid on tihti näha ka igapäevaelus. Üks difraktsiooni hästi iseloomustav näide on seotud valgusega; näiteks CD või DVD tihedalt pakitud rajad käituvad kui difraktsioonivõre, mis moodustab tuttava vikerkaaremustri. Seda teadmist kasutades saab välja töötada võre, mille struktuur vastab oodatule; nagu näiteks krediitkaartidel asuvad hologrammid. Difraktsioon atmosfääris tekib väikeste osakeste tõttu, mis saavad tekitada nähtava ereda ringi ümber valgusallika nagu näiteks Päikese või Kuu.
Kõik need nähtused on põhjustatud valguse lainelistest omadustest.
Difraktsiooni esineb kõikide lainetüüpide korral. Ookeanilained interfereeruvad ümber kaide ja teiste takistuste. Helilained saavad interfereeruda ümber objektide. Selle tõttu on võimalik kuulda kedagi kutsumas isegi kui ta peidab ennast puu taga. 
Difraktsioon on probleemiks mitmete tehniliste rakenduste juures; see seab teoreetilise piiri kaamera, teleskoobi või mikroskoobi resolutsioonile.

Ajalugu

Valguse difrakteerumise nähtust uuris ja kirjeldas põhjalikumalt esimeena Francesco Maria Grimaldi, kes ühtlasi lõi ka mõiste difraktsioon ladinakeelsest sõnast diffringere, mis tähendab 'tükkideks purunemist', vihjates sellega valguse murdumisele erinevatesse suundadesse. Grimaldi vaatluse tulemused avaldati postuumselt 1665. aastal. Isaac Newton uuris neid nähtusi ning omistas need valguskiirte muutumatusele. James Gregory (1638–1675) uuris linnusule tekitatud difraktsioonimustreid. See oli sisuliselt difraktsioonivõre tekitatud nähtuste esmakordne uurimine. Thomas Young korraldas 1803. aastal eksperimendi, kus tutvustas kahest lähedal asetsevast pilust tingitud interferentsi. Thomas Young selgitas vaatlustulemusi erinevatest piludest väljuvate lainete interferentsiga ja järeldas, et valgus peab levima lainetena. Augustin-Jean Fresnel tegi põhjalikumaid uuringuid ja arvutusi difraktsiooninähtustest, mis avaldati 1815. ja 1818. aastal. Augustin-Jean Fresnel toetas sellega märkimisväärselt valguslaine teooriat, mida oli uurinud Christiaan Huygens ja taaselustanud Young, vastandades teooriat Newtoni valgusosakeste teooriale.

Mehhanism

Difraktsioon on põhjustatud lainete levimise iseärasustest; seda kirjeldavad Huygensi-Fresnelli printsiip ja lainete superpositsiooniprintsiip. Lainete levimist saab visualiseerida, kui arvata iga lainefrondi punkt uueks sfäärilise sekundaarlaine allikaks. Laine levimisteekonna muutus igas järgnevad alampunktis on nende sekundaarlainete summa. Vastavate lainete summa on kindlaks määratud nende suhteliste faaside ja osalainete amplituudidega, nii et summeeritud amplituudi väärtus võib varieeruda nullist kuni osalainete üksikute amplituudide summani. Sellest tulenevalt on tavaliselt difraktsiooni mustritel maksimumi ja miinimumi seeriad.
Difrakteerunud välju on võimalik matemaatiliselt kirjeldada mitmete analüütililiste mudelite abil, sealhulgas Kirchhoffi-Fresneli difraktsioonivõrrandiga, mis on tuletatud lainevõrrandist, Fraunhoferi difraktsiooni lähendiga Kirchhoffi võrrandist, mis kehtib kaugväljadele ning Fresneli difraktsiooni lähendiga, mis kehtib lähiväljadele. Enamikku konfiguratsioone ei ole võimalik analüütiliselt lahendada, kuid lõpliku elemendi meetodi ning piirelemendi meetodi abil on võimalik välja arvutada numbrilisi lahendusi.
Difraktsiooninähtusi on võimalik kvalitatiivselt mõista, võttes arvesse, kuidas individuaalsete sekundaarlainete allikate faasid varieeruvad. Konkreetsemalt öeldes, kuidas muutuvad tingimused, mille korral faasi erinevus on võrdne poole tsükliga. Sel juhul vastavad lained tühistavad teineteist.
Difraktsiooni on lihtsaim kirjeldada juhul, kui nähtust on võimalik kujutada kahemõõtmeliselt. See kehtib näiteks vee lainetuse kohta, kuna veelained levivad vaid veepinnal. Valguse puhul on tihti võimalik eirata üht mõõdet juhul, kui difrakteeruv objekt ulatub mõõtme suunda märkimisväärselt suurema pikkusega, kui lainepikkus. Probleemi kolmemõõtmelist olemust tuleb arvesse võtta, kui valgus paistab läbi väikeste ringikujuliste avauste.

Laserikiire levimine

Laserikiire Gaussi profiili muutumise kiire levimise ajal määrab difraktsioon. Laseri väljundpeegel on ava ning järgneva kiire kuju määrab see ava. Järelikult, mida väiksem on väljundkiir, seda kiiremini ta hajub.
Paradoksaalselt on võimalik vähendada laserikiire hajuvust esmalt seda kumerläätse abil laiendades ning seejärel teise kumerläätse, mille fookus langeb kokku esimese kumerläätse fookusega, abil kiirt kalibreerides. Tulemuseks saadaval kiirel on suurem ava ja seetõttu ka väiksem hajuvus.