Arago noktası

Arago noktası, Fresnel parlak noktası veya Poisson noktası Fresnel kırınımına göre dairesel cismin ortasındaki gölgedir. Bu nokta ışığın doğal dalgasının keşfinde ve ışığın dalga davranışı sergilediğini göstermek için önemli rol oynar.

Basit deneysel kurulum için aydınlatılmış pim deliği ya da dağılan lazer ışını benzeri "noktasal kaynak" gerekir.Kurumunun ebatları Fresnel kırınımının gereksinimlerine göre tamamlanmalıdır. Yani, Fresnel sayısı buna karşılık gelmeli:

ki;
 d dairesel cismin çapı
 ℓ cisim ile ekran arasındaki mesafe
 λ kaynağın dalga boyudur.
Son olarak dairesel cismin uçları yeterince pürüzsüz olmalıdır.

Bu durumlar beraber göze alınınca neden günsel yaşantımızda bu parlak noktayı görmediğimizi açıklıyor. Yine de günümüzdeki lazerlerle Arago noktası deneyini gerçekleştirmek zor değildir.

Arago noktası astronomide Newton teleskobuyla çekilen düzgün odaklanmamış yıldız görsellerinde fark edilebilir. Yıldızlar sonsuzda neredeyse noktasal kaynak olarak davranır ve teleskobun ikincil aynası dairesel engel oluşturur.

Işık dairesel engelin üzerine düştüğünde, Huygens-Fresnel ilkesi'ne göre engel yüzeyinin üzerindeki her bir nokta yeni noktasal ışık kaynağı gibi davranır.Engelin çevresinden gelen ışıkla gölgenin ortasına giden ışık , aynı mesafeyi kateder; yani cisme yakın geçen bütün ışık ekrana fazda ve yapısal girişim yaparak ulaşır. Geometrik optik ve ışığın parçaçık teorisine göre gölgenin merkezinde aydınlık nokta olmamalıdır.

Tarihçe 
19 yüzyılın başlarında ışığı sadece çizgisel olarak  fikri yayılmadığı fikri ilgi çekmeye başlamıştı. Thomas Young 1807'de çift yarık deneyini yayımladı. Orijinal Arago deneyi bundan yüzyıl sonra yapıldı ve amacı ışığın dalga mı parçacık mı olduğuydu. Bu da deney önemini göstermektedir.

O sıralar, teorisyen  Siméon Denis Poisson'da aralarında olduğu birçok bilim adamı Newton'un ışığın parçacık teorisini savunuyordu. 1818'de Fransız Bilimler Akademisi ışığın özelliklerinin açıklanması için düzenlediği müsabakada Poisson jüri komitesini üyesiydi. İnşaat mühendisi olan Augustin-Jean Fresnel müsabakaya ışığın dalga teorisiyle katıldı.

Poisson,Fresnel'in teorisini ayrıntılarıyla çalıştı ve parçacık teorisini desteklemektense aksine onun yanlış olduğunun kanıtlamaya çalıştı. Poisson Fresnel'in teorisinde bir kusur olduğunu düşündü ki bu da dairesel engelin gölgesinde aydınlık bir nokta olması gerektiğiydi lakin böyle bir nokta yoktu. Arago noktası günlük hayatta kolaylıkla gözlemlenecek bir olay olmadığndan, Poisson bu sonucu saçma olarak değerlendirdi ve bu Fresnel'in teorisini yalanlar nitelikteydi.

Yeni de,komitenin başkanı ve daha sonra Fransa başbakanı olan François Jean Dominique Arago deneyin daha ayrıltılı olarak yapılmasına karar verdi. Arago 2 mm'lik metal disk döktürdü. Böylece çoğu bilim insanını ışığın dalga hareketini kabul etmesini ve Fresnel'in kazanmasını sağlayan noktayı gözlemlemeyi başardı.

Arago daha sonra bu olgunun(Poisson noktası veya Arago noktası) yüzyıl önce  Delisle ve Maraldi tarafından gözlemlendiğini not almıştır. Çok sonra fark edilmiştir ki (biri Einstein'in Annus Mirabilis kağıtları) ışık aynı zamanda parçacık olarak da tanımlanabilir. (ışığın dalga-parçacık ikiliği).

Teori 
Fresnel'in dalga teorisinin merkezi dalga yüzündeki her açık noktanın, ikincil küresel dalgacık olması ve ekrandaki optik alanın E genliğini bütün ikincil dalga yüzlerinin kendi fazlarıyla göreceli olarak üst üste gözününe alınan  Huygens–Fresnel ilkesidir. Bu yüzey integraliyle gösterilen ekran üzerindeki alandaki P1 noktasını ifade eder:

ikincil dalgacığı geriye yayılmadığını garantiye almak   faktorü aşağıdaki gibi ifade edilir:

ki;
 A dalga kaynağının genliği
  dalga sayısı
 S açık yüzey.
İntegralın dışındaki ilk terim r0 mesafesindeki kaynak dalganın salınımını tanımlar. Benzer olarak, r1 mesafesindeki ikincil dalgacığın salınımını tanımlar.

Dairesel engelin şiddetini elde etmek için kullanılan integralde deneysel parametrelerin yakın-alan kırınımını uyguladığı varsayılır(dairesel engelin boyutu dalga boyuyla kıyaslandığında küçük g=P0C ve b=CP1mesafesiyle kıyaslandığında küçük kalır). Kutupsal koordinat sisteminden sonra dairesel cisimin yarıçapının integral verimi(örnekler için  Born ve Wolf'a bakınız):

İntegral sayısal olarak çözülebilir (aşağına görüldüğü üzere). Eğer g,  açısını göz ardı edilmeyecek kadar büyük ve b de yeterince küçükse integral aşağıdaki gibi yazılabilir (P1 gölgenin merkezindedir)(bakınız):

Alan genliğinin karesi olan kaynak şiddeti  ve ekrandaki şiddet  olarak hesaplanır. Ekran üzerindeki şiddet aşağıdaki gibi b mesafesini fonksiyonudur:

Bu da dairesel cisim hepsini sunmasa da ekrandaki gölgenin merkezindeki şiddetin şiddet kaynağına yöneldiğini gösterir. Dahası, bu Arago noktasının diskin arkasındaki birkaç engelde de uygulandığını gösterir.

Kırınım görüntülerini hesaplanması 
Ekranda görünen tam kırınımı hesaplanması için önceki bölümdeki ekran integralini göze alınması gerekir. Ekrandaki rastgele seçilmiş bir nokta ve kaynak arasındaki çizgi dairesel cismin merkezinden geçmediği sürece dairesel simetri kullanılamaz. Cismin saydam kısımları için 1 diğer kısımları için 0 olan açıklık fonksiyonu  ile (kaynakla ekrandaki nokta arasındaki düz çizgi dairesel engelin üzerinden geçiyorsa 0) integralin bu şekilde çözülmesi gerekir:

Simpson yönetimini kullanarak yapılan integralin sayısal hesaplamaları etkili değildir ve özellikle büyük Fresnel sayıları kullanıldığı zaman sayısal olarak sabit olmaz. Yine de, integralde azimut açısının sayısal olarak sabit kalmasıyla integralin dairesel kısmının çözülebilir.  Merkezi P0P1  çizgisinin dairesel engelle kesiştiği nokta olan bir ışını çözen integral çizgisi için özel bir açı olmalıdır. Azimut açısı  olan özel ışının katkısı ve  'den  'e geçen cismin saydam kısmı:

Her açı için dairesel cisim ile ışının kesişim noktası hesaplanmalıdır ve katkıları   0 ve  arasındaki belirli açılar için toplayın. Bu hesaplamaların sonuçları görsellerde görülmektedir.

Görseller çeşitli çapdaki gölge diskindeki Arago noktasının  (4 mm, 2 mm, 1 mm – soldan sağa) diskten 1 m uzaktaki temsilini göstermektedir. Noktasal kaynağın dalga boyu 633 nm'dir ( He-Ne Lazeri) ve diskten 1 m uzağa yerleştirilmiştir. Görselin genişliği 16 mm'dir.

Deneysel yönleri

Şiddet ve boyut 
İdeal [ noktasal kaynak]ta, Arago noktasının şiddeti bozulmamış dalga yüzüne eşittir. Arago noktasının tepe şiddeti; kaynak, dairesel cisim ve ekranın aralarındaki mesafeye bağlı olduğu kadar kaynağı dalga boyuna ve dairesel cismin çapına da bağlıdır. Yani kaynağın dalga boyunun kısalması ekran ve dairesel cisim arasındaki mesafenin artırılmasıyla ya da dairesel cismin çapının kısaltılmasıyla giderilebilir.

Ekrandaki yanal şiddet dağılımı optik eksene yakınken ve düzlemsel dalga kaynağı kullanıldığında şekli birinci dereceden sıfırıncı Bessel fonksiyonuna benzemektedir (sonsuzdaki noktasal kaynak):

ki;
 r  noktanın optik eksendeki ekrandaki mesafesi P1
 d dairesel cismin çapı
 λ dalga boyu
 b dairesel cisim ve ekran arasındaki mesafedir.
Aşağıdaki görseller Arago noktasının dairesel şiddet dağılımını temsil eder:

Yukarıdaki üç grafikteki kırmızı çizgiler temsili görüntüleri ve yeşil çizgiler Bessel fonksiyonunun karesini temsil eder.

Sonlu kaynak boyutu ve uzaysal bağdaşım 
Arago noktasını sıradan ışık kaynaklarıyla gözlemlemenin zor olmasının sebebi kullanılan noktasal ışık kaynağının noktasal olmayışıdır. Eğer dalga kaynağının boyutu sonlu S ise, dairesel cisim lens gibi davranır ve Arago noktası S×b/g açılımına kavuşur. Aynı zamanda Arago noktasının şiddeti, bozulmamış dalga yüzünün şiddetine hürmeten indirgenir.

Dairesellikten sapma 
Eğer dairesel cismin arakesiti dairesel şeklinden biraz saptıysa (hala uçları keskin) Arago noktasının şekli değişir. Eğer cismin arakesiti eliptik ise Arago noktası evolüt şeklini alır. Bu durum eğr kaynak ideal noktasal kaynak ise geçerlidir. Arago noktası noktasal yayılım fonksiyonu olarak yorumlanabileceğinde Arago noktası geniş kaynaktan çok az miktarda etkilenir. Sonuç olarak, noktasal yayılım fonksiyonundan dolayı genişletilmiş kaynağın görüntüsü saoluk olur ama şiddeti azalmaz.

Dairesel cismin yüzey pürüzlülüğü 
Arago noktası ideal dairesel arakesiti sayesinde oldukça hassastır. Yani dairesel cismin yüzeyindeki pürüz parlak noktayı tamamen yok edebilir. Bu aşağıdaki grafiklerde 4 mm çaplı disk sayesinde oluşan Arago noktası  temsil edilmiştir. (g = b = 1 m):

Bu grafikler dairesel şeklin genliği 10 µm, 50 µm ve 100 µm olan normal sinüs biçimli kıvrımlar içerir. 100 µm 'luk kıvrımlarda merkezi kıvrımlar neredeyse yok olmuştur.

Bu etki en iyi Frenel alan kavramı kullanılarak anlaşılır. Dairesel cisim belirli Fresnel alanı sayılarını engeller. Dairesel cismin kenarlarıyla başlayan Fresnel alanı sadece Arago noktasına katkı sağlar. Daha sonra, yıkıcı olarak birbirleriyle girişim yapan Fresnel alanları birbirini söndürürler. Genliği komşu Fresnel alanının eniyle aynı olan rastgele uç kıvrımı Arago noktasının şiddetini azaltır. Komşu Fresnel alanının eninden oluşan kıvrımından dolayı artan yarıçapı olan kenarların parçaları sayesinde yıkıcı bir şekilde kıvrımı etkilemeyen parçaların yardımıyla girişir.

Komşu Fresnel alanı yaklaşık olarak aşağıdaki gibi tanımlanmıştı:

Kenar kıvrımı Arago noktasının eninin %10'undan büyük olmamalı.Yukarıdaki 4 mm çaplı disklerin grafiklerinde, komşu Fresnel alanının eni 77 µm'dir.

Madde dalgalı Arago noktası 
Son dönemlerde,Arago noktası deneyleri döteryum molekülünün süpersonik genleşme ışınıyla ispatlanmıştır(nötr madde dalgasının örneği). Kuantum mekaniğinden de bilindiği üzere madde parçacıkları dalga davranışı sergiler. Parçacıkların dalga davranışı de Broglie'nin Davisson-Germer deneyi olarak da bilinen teorisine dayanır. Belirli ölçülerdeki dairesel yapısal incelendiğinde elektronun Arago noktası geçirimli elektron mikroskobuyla gözlenebildiği gibi madde dalgası oluşturur,.

Dalga davranışını ispatlamak için büyük molekullerle yapılan Arago noktası gözlemleri son dönemdeki deneylerin konusudur.

Diğer uygulamaları 
Arago noktasının dalga davranışının ispatlanmasının yanı sıra birkaç farklı uygulaması daha vardır. Arago noktasının diğer kullanımı da hizalama sistemlerinde düz çizgi kaynağı olması fikridir. Diğeri, noktanın ışın aberasyonunudaki hassaslığını kullanarak lazer ışınının sapmasının incelemektir.

Kaynakça

Kırınım
Fizik tarihi