Diffraction Theory 355 fall...ย ยท 43 In summary, far-field diffraction: 1. Single Slit 2. Double...

75
Diffraction Theory 1

Transcript of Diffraction Theory 355 fall...ย ยท 43 In summary, far-field diffraction: 1. Single Slit 2. Double...

  • Diffraction Theory

    1

  • 2

  • 3

    ๐‘Ÿ1

    ๐‘Ÿ2

    ๐ธ ิฆ๐‘Ÿ, ๐‘ก = ๐ธ1 ิฆ๐‘Ÿ, ๐‘ก

    ๐ธ ิฆ๐‘Ÿ, ๐‘ก

    ๐ธ ิฆ๐‘Ÿ, ๐‘ก =๐ธ0,1

    ๐‘Ÿ1๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ1โˆ’๐œ” ๐‘ก + ๐œ€1 +

    ๐ธ0,2๐‘Ÿ2

    ๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ2โˆ’๐œ” ๐‘ก + ๐œ€2

    + ๐ธ2 ิฆ๐‘Ÿ, ๐‘ก

    ๐‘Ÿ3

    +๐ธ0,3๐‘Ÿ3

    ๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ3โˆ’๐œ” ๐‘ก + ๐œ€3

    ๐‘Ÿ4

    + ๐ธ3 ิฆ๐‘Ÿ, ๐‘ก + ๐ธ4 ิฆ๐‘Ÿ, ๐‘ก

    ๐‘Ÿ5

    +๐ธ0,4๐‘Ÿ4

    ๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ4 โˆ’๐œ” ๐‘ก + ๐œ€4

    + ๐ธ5 ิฆ๐‘Ÿ, ๐‘ก

    +๐ธ0,5๐‘Ÿ5

    ๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ5 โˆ’๐œ” ๐‘ก + ๐œ€5

    =

    ๐‘–

    ๐ธ๐‘– ิฆ๐‘Ÿ, ๐‘ก

    +โ‹ฏ

    + โ€ฆ

    =

    ๐‘–

    ๐ธ0,๐‘–๐‘Ÿ๐‘–

    ๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘– โˆ’๐œ” ๐‘ก + ๐œ€๐‘–

  • 4

    Huygens-Fresnel Principle

  • 5

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =

    ๐‘–

    ๐ธ0,๐‘–๐‘Ÿ๐‘–

    ๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘– โˆ’๐œ” ๐‘ก + ๐œ€๐‘–

    = เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง โˆ’ ๐œ” ๐‘ก + ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง = ๐‘ 2 + ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2 + ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2

    ๐‘Ÿ

    ๐‘ 

    ๐‘

    ๐‘Œ

    ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘– ๐‘ฆ, ๐‘ง

    ๐‘–

    เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

  • 6

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง โ‰… ๐‘  1 +๐œ2

    2

    Fresnel Approximation๐‘˜ ๐‘  ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ๐œ4

    8โ‰ช ๐œ‹

    = ๐‘  1 +๐œ2

    2โˆ’๐œ4

    8+๐œ6

    16โˆ’5 ๐œ8

    128+ โ‹ฏ

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง = ๐‘ 2 + ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2 + ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2 = ๐‘  1 +๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2

    ๐‘ 2+

    ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2

    ๐‘ 2 = ๐‘  1 + ๐œ2

    ๐œ2 โ‰ก๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2

    ๐‘ 2+

    ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2

    ๐‘ 2

    Fresnel Diffraction

    = ๐‘  +๐‘Œ2 + ๐‘2

    2 ๐‘ โˆ’

    ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง

    ๐‘ +

    ๐‘ฆ2 + ๐‘ง2

    2 ๐‘ 

    = ๐‘  1 +๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2

    2 ๐‘ 2+

    ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2

    2 ๐‘ 2

  • 7

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง โ‰… ๐‘  +๐‘Œ2 + ๐‘2

    2 ๐‘ โˆ’

    ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง

    ๐‘ +

    ๐‘ฆ2 + ๐‘ง2

    2 ๐‘ 

    Fresnel Approximation๐‘˜ ๐‘  ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ๐œ4

    8โ‰ช ๐œ‹

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก = เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง โˆ’ ๐œ” ๐‘ก + ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    โ‰… เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง

    ๐‘ ๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘  +

    ๐‘Œ2+๐‘2

    2 ๐‘  โˆ’๐‘Œ ๐‘ฆ+๐‘ ๐‘ง

    ๐‘  +๐‘ฆ2+๐‘ง2

    2 ๐‘  โˆ’๐œ” ๐‘ก + ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

  • 8

    ๐‘˜๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ ๐‘ฆ2 + ๐‘ง2

    2 ๐‘ โ‰ช ๐œ‹

    ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ ๐‘ฆ2 + ๐‘ง2

    ๐œ† ๐‘ โ‰ช 1

    Fraunhofer Approximation

    Fraunhofer Diffractionalso known as Far-Field Diffraction

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง โ‰… ๐‘  +๐‘Œ2 + ๐‘2

    2 ๐‘ โˆ’

    ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง

    ๐‘ +

    ๐‘ฆ2 + ๐‘ง2

    2 ๐‘ 

    Fresnel Approximation๐‘˜ ๐‘  ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ๐œ4

    8โ‰ช ๐œ‹

    In addition to Fresnel Approximation:

  • 9

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก = เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง โˆ’ ๐œ” ๐‘ก + ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    โ‰… เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง

    ๐‘…๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’

    ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก + ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    =๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’๐‘– ๐œ€ ๐‘ฆ,๐‘ง ๐‘’โˆ’ ๐‘–

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง๐‘… ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง = ๐‘ 2 + ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2 + ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2

    ๐‘…2 โ‰ก ๐‘ 2 + ๐‘Œ2 + ๐‘2

    = ๐‘…2 โˆ’ 2 ๐‘Œ ๐‘ฆ โˆ’ 2 ๐‘ ๐‘ง + ๐‘ฆ2 + ๐‘ง2

    = ๐‘… 1 +โˆ’2 ๐‘Œ ๐‘ฆ โˆ’ 2 ๐‘ ๐‘ง + ๐‘ฆ2 + ๐‘ง2

    ๐‘…2โ‰… ๐‘… โˆ’

    ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง

    ๐‘…

  • 10

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’๐‘– ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’โˆ’ ๐‘–

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง๐‘… ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    ๐‘Ÿ

    ๐‘ 

    ๐‘

    ๐‘Œ

    ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘…

    Fraunhofer Diffraction

    ๐‘…2 โ‰ก ๐‘ 2 + ๐‘Œ2 + ๐‘2

  • 11

    Illumination at the Aperture:

    In the examples to follow, we will consider a flat wavefront at normal incidence on the aperture

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’๐‘– ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง =

    ๐ธ0

    0

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง

    ๐‘… ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    Inside the aperture

    Outside the aperture{

  • 12

    Apertures considered here:

    1. Single Slit

    2. Double Slit

    3. Rectangular Aperture

    4. Circular Aperture

  • 13

    1. Single Slit

    ๐‘Ÿ

    ๐‘ 

    ๐‘

    ๐‘Œ

    ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘…

    ๐‘… โ‰ก ๐‘Œ2 + ๐‘ 2

    ๐‘‘

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถฑ

    โˆ’ เต—๐‘‘ 2

    + เต—๐‘‘ 2

    ๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ๐‘… ๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ

    ๐œƒ

    ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ =๐‘Œ

    ๐‘…

    ๐‘ฆ

    ๐‘ง

  • 14

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘‘

    2 ๐‘…

    1. Single Slit, cont.

    ๐ผ โ‰ก ๐ธ2

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ = ๐ผ0 ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘2

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘‘

    2 ๐‘…๐ผ0 โ‰ก

    ๐ธ02

    2 ๐‘…2๐‘‘2

    ๐‘‘ = 50 ยต๐‘š

    ๐œ† = 0.6 ยต๐‘š

    ๐‘  = 1 ๐‘š

    ๐‘˜ ๐‘Œ๐‘š ๐‘‘

    2 ๐‘…= ๐‘š ๐œ‹

    ๐‘š = ยฑ1, ยฑ2,ยฑ3

    ๐‘… โ‰… 1 ๐‘š

    ๐‘Œ๐‘š = ๐‘š๐œ† ๐‘…

    ๐‘‘

    ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘š =๐‘Œ๐‘š๐‘…

    = ๐‘š๐œ†

    ๐‘‘

    ๐‘Œ(๐‘š๐‘š)

    ๐‘Œ1

    เต—๐ผ ๐ผ0

    zeros atgeometrical

    shadow

    ๐‘Œโˆ’1

    with

    ๐‘Œ

    ๐‘

  • 15

    Mathematica

    FraunhoferDiffractionAtASingleSlit.cdf

  • 16

    2. Double Slit

    ๐‘‘

    ๐‘‘

    ๐‘Ž

    ๐‘ฆ

    เต—๐‘Ž 2 โˆ’ เต—๐‘‘2

    เต—๐‘Ž 2 + เต—๐‘‘2

    เต—โˆ’๐‘Ž 2 โˆ’ เต—๐‘‘2

    เต—โˆ’๐‘Ž 2 + เต—๐‘‘2

    ๐‘ง

  • 17

    ๐‘Ÿ

    ๐‘ 

    ๐‘

    ๐‘Œ

    ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘…

    ๐‘… โ‰ก ๐‘Œ2 + ๐‘ 2

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถฑ

    เต—โˆ’๐‘Ž 2โˆ’ เต—๐‘‘2

    เต—โˆ’๐‘Ž 2+ เต—๐‘‘2

    ๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ๐‘…

    ๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ + เถฑ

    เต—๐‘Ž 2โˆ’ เต—๐‘‘2

    เต—๐‘Ž 2+ เต—๐‘‘2

    ๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ๐‘…

    ๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ

    ๐œƒ

    ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ =๐‘Œ

    ๐‘…

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘‘

    2 ๐‘…2 ๐‘๐‘œ๐‘ 

    ๐‘˜ ๐‘ ๐‘Ž

    2 ๐‘…

  • 18

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘‘

    2 ๐‘…2 ๐‘๐‘œ๐‘ 

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž

    2 ๐‘…

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ = 4 ๐ผ0 ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘2

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘‘

    2 ๐‘…๐‘๐‘œ๐‘ 2

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž

    2 ๐‘…๐ผ0 โ‰ก

    ๐ธ02

    2 ๐‘…2๐‘‘2

    Mathematica

    ๐‘‘

    ๐‘Ž

    DoubleSlitDiffractionForParticles.cdf

  • 19

    3. Rectangular Aperture

    ๐‘Ž

    ๐‘

    ๐‘ฆ

    ๐‘ง

  • 20

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง

    ๐‘… ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถฑ

    เต—โˆ’๐‘ 2

    เต—๐‘ 2

    ๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ๐‘… ๐‘ฆ๐‘‘๐‘ฆ เถฑ

    เต—โˆ’๐‘Ž 2

    เต—๐‘Ž 2

    ๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐‘๐‘… ๐‘ง๐‘‘๐‘ง

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘

    2 ๐‘…๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘ ๐‘Ž

    2 ๐‘…

  • 21

    ๐‘Œ

    ๐‘

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ = ๐ผ0 ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘2

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘

    2 ๐‘…๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘2

    ๐‘˜ ๐‘ ๐‘Ž

    2 ๐‘…

    ๐ผ0 โ‰ก๐ธ0

    2

    2 ๐‘…2๐‘Ž2 ๐‘2

  • 22

    Emission of Semiconductor Laser

  • 23

    4. Circular Aperture

    ๐‘Ž๐œ‘

    ๐‘ฆ = ๐œŒ ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œ‘๐œŒ

    ๐‘ง = ๐œŒ ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œ‘๐‘ง

    ๐‘ฆ

  • 24

    Observation Plane

    ฮฆ

    ๐‘Œ = ๐‘ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ฮฆ

    ๐‘ž

    ๐‘ = ๐‘ž ๐‘๐‘œ๐‘  ฮฆ๐‘

    ๐‘Œ

  • 25

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง

    ๐‘… ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง = ๐‘ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ฮฆ ๐œŒ ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œ‘ + ๐‘ž ๐‘๐‘œ๐‘  ฮฆ ๐œŒ ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œ‘

    = ๐œŒ ๐‘ž ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œ‘ โˆ’ ฮฆ

    ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง = ๐œŒ ๐‘‘๐œ‘ ๐‘‘๐œŒ

    ๐ธ ๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถฑ

    0

    ๐‘Ž

    ๐œŒ ๐‘‘๐œŒเถฑ

    0

    2๐œ‹

    ๐‘‘๐œ‘ ๐‘’ โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐œŒ ๐‘ž ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œ‘ โˆ’ฮฆ

    ๐‘…

    ฮฆ = 0Due to axial symmetry, we can choose:

    = ๐‘ž ๐œŒ ๐‘๐‘œ๐‘  ฮฆ ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œ‘ + ๐‘ ๐‘–๐‘› ฮฆ ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œ‘

  • 26

    ๐ธ ๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถฑ

    0

    ๐‘Ž

    ๐œŒ ๐‘‘๐œŒเถฑ

    0

    2๐œ‹

    ๐‘‘๐œ‘ ๐‘’ โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐œŒ ๐‘ž ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œ‘

    ๐‘…

    A couple of integrals to solve:

  • 27

    1

    2 ๐œ‹เถฑ

    0

    2๐œ‹

    ๐‘‘๐œ‘ ๐‘’๐‘– ๐‘ข ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œ‘ โ‰ก ๐ฝ0 ๐‘ขBessel function of order zero

    ๐ธ ๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถฑ

    0

    ๐‘Ž

    ๐œŒ ๐‘‘๐œŒเถฑ

    0

    2๐œ‹

    ๐‘‘๐œ‘ ๐‘’ โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐œŒ ๐‘ž ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œ‘

    ๐‘…

  • 28

    ๐ธ ๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’ ๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…2 ๐œ‹เถฑ

    0

    ๐‘Ž

    ๐œŒ ๐‘‘๐œŒ ๐ฝ0 โˆ’๐‘˜ ๐‘ž

    ๐‘…๐œŒ

    ๐‘ข โ‰ก โˆ’๐‘˜ ๐‘ž

    ๐‘…๐œŒ

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’ ๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…2 ๐œ‹

    ๐‘…

    ๐‘˜ ๐‘ž

    2

    เถฑ

    0

    โˆ’๐‘˜ ๐‘ž๐‘… ๐‘Ž

    ฮฑ ๐‘‘ฮฑ ๐ฝ0 ฮฑ

    ๐›ผ โ‰กโˆ’๐‘˜ ๐‘ž

    ๐‘…๐œŒ ๐œŒ ๐‘‘๐œŒ =

    ๐‘…

    ๐‘˜ ๐‘ž

    2

    ฮฑ ๐‘‘ฮฑ

  • 29

    เถฑ

    0

    ๐›ผ

    ๐›ผ ๐ฝ0 ๐›ผ ๐‘‘๐›ผ โ‰ก ๐›ผ ๐ฝ1 ๐›ผ

  • 30

    ๐ธ ๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’ ๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…2 ๐œ‹

    ๐‘…

    ๐‘˜ ๐‘ž

    2

    เถฑ

    0

    โˆ’๐‘˜ ๐‘ž๐‘… ๐‘Ž

    ฮฑ ๐‘‘ฮฑ ๐ฝ0 ฮฑ

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’ ๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…2 ๐œ‹

    ๐‘…

    ๐‘˜ ๐‘ž

    2โˆ’๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž

    ๐‘…๐ฝ1

    โˆ’๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž

    ๐‘…

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐œ‹ ๐‘Ž2

    2 ๐ฝ1๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž๐‘…

    ๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž๐‘…

  • 31

    ๐ผ ๐‘ž,ฮฆ = ๐ผ0

    2 ๐ฝ1๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž๐‘…

    ๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž๐‘…

    2

    ๐ผ0 โ‰ก๐ธ0

    2

    2 ๐‘…2๐œ‹ ๐‘Ž2 2

    ๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž

    ๐‘…

    เต—๐ผ ๐ผ0

  • 32

    zeros at๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž

    ๐‘…= 3.832, 7.016, 10.173, โ€ฆ

    ๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž1๐‘…

    = 3.832

    ๐‘ž1๐‘…= ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ1 = 3.832

    ๐œ†

    2 ๐œ‹ ๐‘Ž= 1.22

    ๐œ†

    2 ๐‘Ž

    first zero at

    Light is essentially confined

    inside the cone: ๐’”๐’Š๐’ ๐œƒ1 < ๐Ÿ. ๐Ÿ๐Ÿ๐€

    ๐Ÿ ๐’‚

  • 33

    Circular Aperture

    ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘ 

    ๐‘ฆ

    ๐‘Œ

    ๐‘

    ๐‘Œ

    ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ1 =๐‘ž1๐‘…= 1.22

    ๐œ†

    2 ๐‘Ž

    ๐‘…2๐‘Ž

    Airyโ€™spattern

    ๐‘Ž๐‘ž1

    ๐‘ž1๐œƒ1

  • 34

    ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    2๐‘Ž

    ๐‘ 

    ๐‘…

    ๐œƒ1

    } = 0

  • 35

    ๐‘ฆ

    2๐‘Ž

    ๐œƒ1๐œƒ1

    ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ1 = 1.22๐œ†

    2 ๐‘Ž

    tan ๐œƒ1 =๐‘ž1๐‘“

    ๐‘ž1

    ๐‘ž1 โ‰… 1.22๐œ† ๐‘“

    2 ๐‘Ž

    ๐‘“

    Smallest spot size:

    ๐‘ž1 โ‰… 1.22๐œ† ๐‘“

    ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 

    ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 

    = 1.22๐œ†๐‘œ ๐‘“

    ๐‘› ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 

    ๐‘›

    Smallest angular width:

    ๐‘ž1๐‘“= 1.22

    ๐œ†๐‘œ๐‘› ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 

  • 36

    Diameter of primary mirror 2.4 m

    Wavelength 0.55 ยตm

    Angular width 0.28 ร— 10-6 rad

  • 37

    ๐‘ก๐‘Ž๐‘› ๐œƒ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ โ‰ก๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 2 ๐‘“

    ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 

    ๐œƒ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ

    ๐‘๐ด โ‰ก ๐‘› ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ โ‰…๐‘› ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 2 ๐‘“

    ๐‘“

    ๐‘“

    #=

    ๐‘“

    ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 

  • 38

    Numerical Aperture

    ๐‘๐ด โ‰ก ๐‘› ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ

  • 39

    ๐‘ž1 = 1.22๐œ†๐‘œ2 ๐‘๐ด

    Smallest spot size from a lens

    ๐‘ฆ

    2๐‘Ž = ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 

    ๐œƒ1๐œƒ1

    ๐‘ž1

    ๐‘“

    ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 

    ๐‘›

    ๐‘ž1 = 1.22๐œ†๐‘œ ๐‘“

    ๐‘› ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 

    ๐‘๐ด โ‰ก ๐‘› ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ โ‰…๐‘› ๐ท๐‘™๐‘’๐‘›๐‘ 2 ๐‘“

  • 40

    Rayleigh Criteria for Resolution

    Barely resolved

    Resolved

    Not resolved

  • 41

    ๐‘ž1 = 1.22๐œ†๐‘œ2 ๐‘๐ด

    ๐œ†๐‘œ = 0.55 ๐œ‡๐‘š

    3.36 ๐œ‡๐‘š 1.34 ๐œ‡๐‘š 0.52 ๐œ‡๐‘š 0.27 ๐œ‡๐‘š

    Examples of Diffraction Limit of Objective Lenses

  • 42

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’๐‘– ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’โˆ’ ๐‘–

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง๐‘… ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    ๐‘Ÿ

    ๐‘ 

    ๐‘

    ๐‘Œ

    ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘…

    ๐‘… โ‰ก ๐‘Œ2 + ๐‘2 + ๐‘ 2

    Fraunhofer Diffraction

    ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ ๐‘ฆ2 + ๐‘ง2

    ๐œ† ๐‘ โ‰ช 1

    ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2 + ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2

    ๐œ† ๐‘ โ‰ช 1

  • 43

    In summary, far-field diffraction:

    1. Single Slit

    2. Double Slit

    3. Rectangular Aperture

    4. Circular Aperture

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘‘

    2 ๐‘…

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘‘

    2 ๐‘…2 ๐‘๐‘œ๐‘ 

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž

    2 ๐‘…

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘

    2 ๐‘…๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘ ๐‘Ž

    2 ๐‘…

    ๐ธ ๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐œ‹ ๐‘Ž2

    2 ๐ฝ1๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž๐‘…

    ๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ž๐‘…

  • 44

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’๐‘– ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’โˆ’ ๐‘–

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘ฆ + ๐‘ ๐‘ง๐‘… ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถต

    โˆ’โˆž

    +โˆž

    ๐œ“ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’โˆ’ ๐‘– ๐‘˜๐‘ฆ ๐‘ฆ +๐‘˜๐‘ง ๐‘ง ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    ๐œ“ ๐‘ฆ, ๐‘ง โ‰ก๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’

    ๐‘– ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง

    0

    inside aperture

    opaque obstruction

    ๐‘˜๐‘ฆ โ‰ก๐‘˜ ๐‘Œ

    ๐‘…

    Fraunhofer Diffraction as a Fourier Transformation

    ๐‘˜๐‘ง โ‰ก๐‘˜ ๐‘

    ๐‘…

    {

  • 45

    Diffraction Gratings

  • 46

    Multiple Slits

    ๐‘

    ๐‘Ž

    ๐‘ฆ

    ๐‘Ž โˆ’๐‘

    2

    ๐‘Ž +๐‘

    2

    ๐‘ง

    ๐‘ต (infinitely long) slits of width ๐’ƒ separated by distance ๐’‚

    +๐‘

    2โˆ’๐‘

    2

    ๐‘ โˆ’ 1 ๐‘Ž โˆ’๐‘

    2

    ๐‘ โˆ’ 1 ๐‘Ž +๐‘

    2

  • 47

    ๐‘Ÿ

    ๐‘ 

    ๐‘

    ๐‘Œ

    ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘…

    ๐‘… โ‰ก ๐‘Œ2 + ๐‘ 2

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…เถฑ

    โˆ’๐‘2

    +๐‘2

    + เถฑ

    ๐‘Ž โˆ’๐‘2

    ๐‘Ž +๐‘2

    + เถฑ

    2 ๐‘Ž โˆ’๐‘2

    2 ๐‘Ž +๐‘2

    +โ‹ฏ + เถฑ

    ๐‘โˆ’1 ๐‘Ž โˆ’๐‘2

    ๐‘โˆ’1 ๐‘Ž +๐‘2

    ๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ๐‘… ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ฆ

    ๐œƒ

    ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ =๐‘Œ

    ๐‘…

  • 48

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘

    2 ๐‘…

    ๐‘› = 0

    ๐‘โˆ’1

    ๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘…

    ๐‘›

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘

    2 ๐‘…

    1 โˆ’ ๐‘’โˆ’๐‘– ๐‘๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘…

    1 โˆ’ ๐‘’โˆ’๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘…

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘

    2 ๐‘…

    ๐‘’โˆ’๐‘– ๐‘๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    ๐‘’โˆ’๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    ๐‘’+๐‘– ๐‘๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘… โˆ’ ๐‘’โˆ’๐‘– ๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    ๐‘’+๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘… โˆ’ ๐‘’โˆ’๐‘–

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘… โˆ’๐œ” ๐‘ก

    ๐‘…๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘

    2 ๐‘…

    ๐‘’โˆ’๐‘– ๐‘๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    ๐‘’โˆ’๐‘–๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    sin ๐‘๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    sin๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

  • 49

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ = ๐ผ0 ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘2

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘

    2 ๐‘…

    ๐‘ ๐‘–๐‘›2 ๐‘๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    ๐‘ ๐‘–๐‘›2๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    ๐ผ0 โ‰ก๐ธ0

    2

    2 ๐‘…2๐‘2

    Intensity Pattern

    Mathematica

    ๐‘ = 1

    ๐‘Ž = 4

    ๐‘˜ = 1

    ๐‘… = 1

    MultipleSlitDiffractionPattern.cdf

  • 50

    ๐‘ ๐‘–๐‘›๐‘2๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘

    2 ๐‘…โ‰… 1

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ โ‰… ๐ผ0

    ๐‘ ๐‘–๐‘›2 ๐‘๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    ๐‘ ๐‘–๐‘›2๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    Small Width Approximation:

    ๐‘ = 0.1

    ๐‘Ž = 4

    ๐‘˜ = 1

    ๐‘… = 1

  • 51

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž

    2 ๐‘…= ๐‘š ๐œ‹ ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก = ๐‘2 ๐ผ0

    Maxima (intensity peaks)

    ๐‘š = 0,ยฑ1,ยฑ2,โ€ฆ

    ๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘š = ๐‘š ๐œ†grating equation

    grating order

  • 52

    ๐‘๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž

    2 ๐‘…= ๐‘Ÿ ๐œ‹

    ๐‘Ÿ = 1, 2, 3, โ€ฆ , (๐‘ โˆ’ 1)

    Minima (zero intensity)

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž

    2 ๐‘…=๐‘Ÿ

    ๐‘๐œ‹

    ๐‘ = 0.1

    ๐‘Ž = 4

    ๐‘˜ = 1

    ๐‘… = 1

    0 <๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž

    2 ๐‘…< ๐œ‹

    ๐‘š = 0 ๐‘š = 1

    10โˆ’1 ๐‘š2โˆ’2

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ โ‰… ๐ผ0

    ๐‘ ๐‘–๐‘›2 ๐‘๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

    ๐‘ ๐‘–๐‘›2๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž2 ๐‘…

  • 53

    Angular Width

    ๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘š +โˆ†๐œƒ2

    2= ๐‘š ๐œ‹ +

    1

    ๐‘๐œ‹

    ๐‘˜ ๐‘Œ ๐‘Ž

    2 ๐‘…=๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ

    2

    โˆ†๐œƒ =2 ๐œ†

    ๐‘ ๐‘Ž ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œƒ๐‘š

    ๐‘˜ ๐‘Ž ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œƒ๐‘š ๐‘ ๐‘–๐‘›โˆ†๐œƒ2

    2โ‰…1

    ๐‘๐œ‹

    ๐‘š

  • 54

    Spectral Resolution

    ๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘š = ๐‘š ๐œ†

    ๐‘Ž ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œƒ๐‘š ๐‘‘๐œƒ = ๐‘š ๐‘‘๐œ†

    โˆ†๐œ†๐‘Ÿ๐‘’๐‘  =๐œ†

    ๐‘š ๐‘

    ๐‘‘๐œƒ โ‰กโˆ†๐œƒ

    2=

    ๐œ†

    ๐‘ ๐‘Ž ๐‘๐‘œ๐‘  ๐œƒ๐‘š๐‘‘๐œ† โ‰ก โˆ†๐œ†๐‘Ÿ๐‘’๐‘ 

  • 55

    Free Spectral Range

    ๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ = ๐‘š + 1 ๐œ† = ๐‘š ๐œ† + โˆ†๐œ†๐น๐‘†๐‘…

    โˆ†๐œ†๐น๐‘†๐‘… =๐œ†

    ๐‘š

  • 56

    Oblique Incidence

    Normal Incidence

    ๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ โˆ’ ๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘–๐‘›๐‘ = ๐‘š ๐œ†

    ๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘š โˆ’ ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘–๐‘›๐‘ = ๐‘š ๐œ†

    ๐‘Ž ๐‘ ๐‘–๐‘› ๐œƒ๐‘š = ๐‘š ๐œ†

  • 57

    Fresnel Diffraction

    Going beyond the Fraunhofer (far-field) approximation

    or

    getting closer to the aperture

  • 58

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง = ๐‘ 2 + ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2 + ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2

    ๐‘Ÿ

    ๐‘ 

    ๐‘

    ๐‘Œ

    ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง โ‰… ๐‘  +1

    2 ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2 +

    1

    2 ๐‘ ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก = เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง

    ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘Ÿ ๐‘ฆ, ๐‘ง โˆ’ ๐œ” ๐‘ก + ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    = ๐‘  1 +๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2

    ๐‘ 2+

    ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2

    ๐‘ 2

    ๐‘˜ ๐‘ ๐‘š๐‘Ž๐‘ฅ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ 2 + ๐‘ โˆ’ ๐‘ง 2 2

    ๐‘ 4โ‰ช ๐œ‹

  • 59

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐‘’๐‘– ๐‘˜ ๐‘  โˆ’ ๐œ” ๐‘ก

    ๐‘ เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’๐‘– ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’๐‘–

    ๐‘˜2 ๐‘  ๐‘Œโˆ’๐‘ฆ

    2+ ๐‘โˆ’๐‘ง 2 ๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘  โˆ’ ๐œ” ๐‘ก

    ๐‘ เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐‘’๐‘–๐œ‹๐œ† ๐‘ 

    ๐‘Œโˆ’๐‘ฆ 2+ ๐‘โˆ’๐‘ง 2๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    ๐ธ0 ๐‘ฆ, ๐‘ง ๐‘’๐‘– ๐œ€ ๐‘ฆ, ๐‘ง =

    ๐ธ0

    0

    Inside the aperture

    Outside the aperture{

    Flat Wavefront Illumination

  • 60

    ๐›พ โ‰ก2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ

    ๐‘‘๐‘ฆ = โˆ’๐œ† ๐‘ 

    2๐‘‘๐›พ

    ๐›ฟ โ‰ก2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘ โˆ’ ๐‘ง

    ๐‘‘๐‘ง = โˆ’๐œ† ๐‘ 

    2๐‘‘๐›ฟ

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘  โˆ’ ๐œ” ๐‘ก

    ๐‘ เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐‘’๐‘–๐œ‹๐œ† ๐‘ 

    ๐‘Œโˆ’๐‘ฆ 2+ ๐‘โˆ’๐‘ง 2๐‘‘๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ง

    =๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘  โˆ’ ๐œ” ๐‘ก

    ๐‘ 

    ๐œ† ๐‘ 

    2เถต

    ๐‘Ž๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ข๐‘Ÿ๐‘’

    ๐‘’๐‘–๐œ‹2 ๐›พ

    2+ ๐›ฟ2 ๐‘‘๐›พ ๐‘‘๐›ฟ

    =๐œ† ๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘  โˆ’ ๐œ” ๐‘ก

    2เถฑ

    ๐›พ1

    ๐›พ2

    ๐‘’๐‘–๐œ‹2 ๐›พ

    2๐‘‘๐›พ เถฑ

    ๐›ฟ1

    ๐›ฟ2

    ๐‘’๐‘–๐œ‹2 ๐›ฟ

    2๐‘‘๐›ฟ

  • 61

    เถฑ

    ๐›พ1

    ๐›พ2

    ๐‘’๐‘–๐œ‹2๐›พ2 ๐‘‘๐›พ = เถฑ

    ๐›พ1

    ๐›พ2

    cos๐œ‹

    2๐›พ2 ๐‘‘๐›พ + ๐‘– เถฑ

    ๐›พ1

    ๐›พ2

    sin๐œ‹

    2๐›พ2 ๐‘‘๐›พ

    = ๐’ž ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž ๐›พ1 + ๐‘– ๐’ฎ ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›พ1

    เถฑ

    ๐›ฟ1

    ๐›ฟ2

    ๐‘’๐‘–๐œ‹2๐›ฟ2 ๐‘‘๐›ฟ = เถฑ

    ๐›ฟ1

    ๐›ฟ2

    cos๐œ‹

    2๐›ฟ2 ๐‘‘๐›ฟ + ๐‘– เถฑ

    ๐›ฟ1

    ๐›ฟ2

    sin๐œ‹

    2๐›ฟ2 ๐‘‘๐›ฟ

    = ๐’ž ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž ๐›ฟ1 + ๐‘– ๐’ฎ ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›ฟ1

    ๐’ž ๐‘ฅ โ‰ก เถฑ

    0

    ๐‘ฅ

    cos๐œ‹

    2๐‘ฅ2 ๐‘‘๐‘ฅ ๐’ฎ ๐‘ฅ โ‰ก เถฑ

    0

    ๐‘ฅ

    sin๐œ‹

    2๐‘ฅ2 ๐‘‘๐‘ฅ

  • 62

    ร— ๐’ž ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž ๐›พ1 + ๐‘– ๐’ฎ ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›พ1

    ร— ๐’ž ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž ๐›ฟ1 + ๐‘– ๐’ฎ ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›ฟ1

    ๐ธ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก =๐œ† ๐ธ0 ๐‘’

    ๐‘– ๐‘˜ ๐‘  โˆ’ ๐œ” ๐‘ก

    2

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ =๐ผ04ร— ๐’ž ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž ๐›พ1

    2 + ๐’ฎ ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›พ12

    ร— ๐’ž ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž ๐›ฟ12 + ๐’ฎ ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›ฟ1

    2

  • 63

    ๐’ž ๐‘ฅ โ‰ก เถฑ

    0

    ๐‘ฅ

    cos๐œ‹

    2๐‘ฅโ€ฒ2 ๐‘‘๐‘ฅโ€ฒ

    ๐’ฎ ๐‘ฅ โ‰ก เถฑ

    0

    ๐‘ฅ

    sin๐œ‹

    2๐‘ฅโ€ฒ2 ๐‘‘๐‘ฅโ€ฒ

    ๐’ž ๐‘ฅ

    ๐’ฎ ๐‘ฅ

    ๐‘ฅ

    ๐‘ฅ

    ๐‘ฅ

    ๐’ž ๐‘ฅ

    ๐’ฎ ๐‘ฅ

  • 64

    ๐’ž ๐‘ฅ โ‰ก เถฑ

    0

    ๐‘ฅ

    cos๐œ‹

    2๐‘ฅ2 ๐‘‘๐‘ฅ

    ๐’ฎ ๐‘ฅ โ‰ก เถฑ

    0

    ๐‘ฅ

    sin๐œ‹

    2๐‘ฅ2 ๐‘‘๐‘ฅ

    ๐‘‘๐’ž ๐‘ฅ = cos๐œ‹

    2๐‘ฅ2 ๐‘‘๐‘ฅ

    ๐‘‘๐’ฎ ๐‘ฅ = sin๐œ‹

    2๐‘ฅ2 ๐‘‘๐‘ฅ

    ๐’ฎ ๐‘ฅ

    ๐’ž ๐‘ฅ

    ๐‘‘๐’ž 2 + ๐‘‘๐’ฎ 2 = ๐‘‘๐‘ฅ 2

    ๐‘‘๐’ž

    ๐‘‘๐’ฎ๐‘‘๐‘ฅ

  • 65

    Applications of Fresnel Diffraction

    1.No obstruction

    2.Straight edge

    3. Single slit

    4. Rectangular aperture

    5. Opaque circular disk

  • 66

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ =๐ผ04ร— ๐’ž ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž ๐›พ1

    2 + ๐’ฎ ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›พ12

    ร— ๐’ž ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž ๐›ฟ12 + ๐’ฎ ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›ฟ1

    2

    1. No Obstruction

    ๐›พ โ‰ก2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ

    ๐›ฟ โ‰ก2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘ โˆ’ ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘ง

    ๐›พ2 = โˆ’โˆž

    ๐›พ1 = +โˆž

    ๐›ฟ2 = โˆ’โˆž ๐›ฟ1 = +โˆž

    =๐ผ04ร— โˆ’0.5 โˆ’ 0.5 2 + โˆ’0.5 โˆ’ 0.5 2 ร— โˆ’0.5 โˆ’ 0.5 2 + โˆ’0.5 โˆ’ 0.5 2

    = ๐ผ0 No surprises here, just the obvious result !!

  • 67

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ =๐ผ04ร— ๐’ž ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž ๐›พ1

    2 + ๐’ฎ ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›พ12

    ร— ๐’ž ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž ๐›ฟ12 + ๐’ฎ ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›ฟ1

    2

    ๐›พ โ‰ก2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ

    ๐›ฟ โ‰ก2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘ โˆ’ ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘ง๐›พ2 =

    2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ

    ๐›พ1 = +โˆž๐›ฟ2 = โˆ’โˆž ๐›ฟ1 = +โˆž

    =๐ผ04

    ร— ๐’ž2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ 0.5

    2

    + ๐’ฎ2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ 0.5

    2

    ร— 2

    2. Straight Edge

  • 68

    ๐’ฎ ๐‘ฅ

    ๐’ž ๐‘ฅ

    ๐‘Œ = 0

    ๐‘Œ > 0

    ๐‘Œ < 0 ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘, ๐‘ก /๐ผ0

    ๐‘Œ

    ๐œ† ๐‘  = 2

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ =๐ผ02

    ร— ๐’ž2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ 0.5

    2

    + ๐’ฎ2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ 0.5

    2

  • 69

  • 70

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ =๐ผ04ร— ๐’ž ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž ๐›พ1

    2 + ๐’ฎ ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›พ12

    ร— ๐’ž ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž ๐›ฟ12 + ๐’ฎ ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ ๐›ฟ1

    2

    ๐›พ โ‰ก2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ

    ๐›ฟ โ‰ก2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘ โˆ’ ๐‘ง

    ๐‘ฆ

    ๐‘ง

    ๐›พ2 =2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘‘

    2

    ๐›พ1 =2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ + ๐‘‘2๐›ฟ2 = โˆ’โˆž ๐›ฟ1 = +โˆž

    =๐ผ04

    ร— ๐’ž2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘‘

    2โˆ’ ๐’ž

    2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ + ๐‘‘

    2

    2

    + ๐’ฎ2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘‘

    2โˆ’ ๐’ฎ

    2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ + ๐‘‘

    2

    2

    ร— 2

    3. Single Slit

    ๐‘‘

  • 71

    ๐’ฎ ๐‘ฅ

    ๐’ž ๐‘ฅ

    ๐‘Œ = 0

    ๐‘Œ > 0

    ๐‘Œ < 0

    ๐ผ ๐‘Œ, ๐‘ =๐ผ02

    ร— ๐’ž2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘‘

    2โˆ’ ๐’ž

    2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ + ๐‘‘

    2

    2

    + ๐’ฎ2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘‘

    2โˆ’ ๐’ฎ

    2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ + ๐‘‘

    2

    2

    ๐›พ1 โˆ’ ๐›พ2 =2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘‘

    ๐›พ1 + ๐›พ22

    =2

    ๐œ† ๐‘ ๐‘Œ

  • 72

    ๐‘‘ = 10 ๐œ†

    ๐‘‘

    ๐‘๐น โ‰ก๐‘‘2

    4 ๐œ† ๐‘ 

    ๐‘๐น = 10

    ๐‘๐น = 1

    ๐‘๐น = 0.5

    ๐‘๐น = 0.1

    ๐œ† = 1

    ๐‘  = 2.5 ๐œ†

    ๐‘  = 25 ๐œ†

    ๐‘  = 50 ๐œ†

    ๐‘  = 250 ๐œ†

    Near field

    Far field

    Fresnel number

  • 73

    Mathematica

    SingleSlitDiffractionPattern.cdf

  • 74

    4. Rectangular Aperture

  • 75

    5. Circular Objects

    Poisson (Arago) spot