Дифракционный предел

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 d_min=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 ψ_min=1,22*λ/D (критерий Рэлея^[1], предложен в 1879 году), где D — апертура оптического прибора.

Значение дифракционного предела в оптике и технике

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 техпроцесса.
• 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 ψ_min (т.е. два точечных источника света, расположенные на угловом расстоянии меньше ψ_min, 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

• Дифракционный предел d_min 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 4,7 Гб (DVD) до 25 Гб (Blue 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 ψ_min 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 ψ_min=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

• Получить разрешение несколько лучшее, чем дифракционный предел можно с помощью суперлинз (пластинки, действующей как метаматериал)^[2].
• Преодолеть дифракционный предел позволяет ближнеполевая микроскопия (достигнуто разрешение 13 нм ^[3]).

Примечания

1. ↑ Дифракционный предел разрешения оптических инструментов | Весь курс физики
2. ↑ Пендри Дж., Смит Д. В поисках суперлинзы. Элементы.ру (2006). Архивировано из первоисточника 10 сентября 2012. Проверено 21 января 2012.
3. ↑ Астронет > Преодоление дифракционного предела в оптике

Ссылки

• Дифракционный предел
• М. Н. Либенсон Преодоление диффракционного предела в оптике. Соросовский образовательный журнал. Переплет.ру (2000). Архивировано из первоисточника 18 мая 2012. Проверено 21 января 2012.

У этой статьи нет иллюстраций. Вы можете помочь проекту, добавив их (с соблюдением правил использования изображений). Для поиска иллюстраций можно: попробовать воспользоваться инструментом FIST: нажмите эту ссылку, чтобы начать поиск; попытаться найти изображение на Викискладе; просмотреть иноязычные варианты статьи (если они есть); см. также Википедия:Источники изображений.