Diffrakció - a fényelhajlás jelensége
Ha egy sík lapot teszünk pl. a napfény útjába és megfigyeljük, milyen árnyékot rajzol a lap éle egy sík felületre, akkor azt láthatjuk - bár a lap széle teljesen egyenes - az árnyéka mégsem lesz borotvaéles. Ha ezt a kisérletet kinn a nyári napon végezzük el akkor sem, pedig a Nap mint fényforrás, kvázi a végtelenben van, az onnan érkező gömbhullám felületek (~150 millió km görbületi sugarukkal) nyugodtan tekinthetők síknak.
Nagyon erősen felnagyítva a vetett árnyék vonalát, ilyen jellegű elmosódást láthatunk:
Tehát egy él mellett már létrejön a fényelhajlás jelensége, ami az árnyék szélét kis mértékben elmosódottá, életlenné teszi.
Két él között átlépő hullámok, egyre szűkülő résmérettel. Az árnyákterek felé elhajló hullámok eredője gömbhullámot formál.
Ha egy ilyen diffrakciós pontból kiinduló gömbhullámokat egy síkkal elmetszük, az alábbi diffrakciós képet kapjuk:
Képalkotás a diffrakció segítségével
A gömb geometriájából fakadóan (felületének minden pontja a középponttól azonos távolságra van), ha egy hullámfelület - vagy annak bármilyen kis darabja - is ismert, akkor a forrás iránya meghatározható (a felületre állított merőleges vonala kijelöli). Két pontból a forrás pontos helye is ismert lesz ugyanilyen eljárással.
Azt mondhatjuk, ha a kiáradó gömbhullám rendszerről képesek vagyunk "pillanatfelvételt" készíteni egy síkon, akkor geometriailag a hullámrendszer forrása meghatározható.
Ha a fenti koncentrikus körökből álló diffrakciós ábrát egy filmre kinyomtatjuk, akkor egy speciális - változó sűrűségű, körbehajtott résekből álló - mintázatot kapunk. Ha ezt mintázatot átvilágítjuk, akkor az áthaladó fényt két irányba fogja terelni: egyrészt egy fókuszpont irányába, másrészt pedig egy szétszóródó mintázatot kapunk (a körök belső éle a hullámokat a centrum irányába hajlítja, a külső éle viszont attól elfelé). Ezt az ábrát az optikában zónalemeznek nevezik.
Vegyük azonban észre, hogy a szóródó hullámok kijelölnek virtuálisan egy másik fókuszpontot (a valódi fókusz tükörképét), tehát a szóródó hullámok pontosan úgy viselkednek, mintha a virtuális fókuszpontból indultak volna el.
Kisérletünkből az alábbi fontos következtetéseket vonhatjuk le:
- A zónalemeznek nevezett diffrakciós ábra tulajdonképp egyszerre viselkedik gyűjtő és szóró lencseként. Ilyet optikai lencséknél sose tapasztalunk, ugyanis azok vagy egy fókuszba gyűjtik, vagy szórják a fényt, de egyszerre mindkettőt soha.
- Virtuális és valódi fókuszpont keletkezik. A valódi fókuszban a zónalemez úgy viselkedik, mint egy lencse, tehát ott valós képet kapunk. Akár még sajátos hangulatú fotó készítésére is felhasználható egy ilyen.
- A virtuális fókuszpontban nem keletkezik kép, viszont a szóródó hullámok úgy viselkednek, mintha onnan indultak volna ki.
A zónalemez működési elve gyakorlatilag egy pont holografikus leképezésének az elvét tartalmazza.
* * *
Kiegészítés
A diffrakció - a nevével ellentétben - nem hajlít el semmilyen fénysugarat. Sőt olyan, hogy fénysugár sem létezik, ez csak egy absztrakció, amit mi hoztunk létre a megfigyeléseink alapján. Egymást követő fényhullám frontok sorozata van, ami időben kiad egy valószínűségi szuperpozíciós mintázatot, amit mi fénysugárnak, fotonnak vagy hullámoknak fogunk fel, attól függően minek akarjuk látni, illetve milyen kísérleti elrendezéssel észleljük.
Mivel a látható fény több féle hullámhossz (~800nm..400nm, vörös...ibolya) keveréke, emiatt a diffrakciós ábra eléggé szétkenődik, nem lesz kontrasztos, illetve a zónalemez leképezése sem teljesen éles, hanem lágy rajzú:
Az egyszerű diffrakciós lyuk is felhasználható fotográfiai célra, mivel ez is rendelkezik valós fókuszponttal. Ez a fotográfia legősibb változata: a camera obscura, magyarul lyukkamera.