Термином дифракция называется физическое явление, на своем примере демонстрирующее отклонение распространения волн от законов геометрической оптики. Термин происходит от латинского слова diffractus, что переводится как разломанный или переломанный.

Дифракционные явления изучали еще при Ньютоне, но тогдашняя корпускулярная теория света не могла им дать точное обоснование. Впервые обоснование этим явлениям дал англичанин Юнг, а параллельно с ним француз Френель создал в 1818 году теорию дифракционных явлений.

В основе его теории был принцип Гюйгенса, дополненный интерференцией вторичных волн. Сам принцип Гюйгенса без дополнений мог объяснить только положения фронтов волн в разные моменты времени или определять направление движения волны, то есть он согласовывался с законами геометрической оптики.

Френель же использовал дополнение принципа, согласно которому вторичные волны интерферируют между собой в точке наблюдения. Так получился принцип Гюйгенса-Френеля, который был гипотезой, но после нескольких опытов подтвердился и стал теорией.

Дифракцию волн можно увидеть:

• В изменении структуры волны согласно пространству. При это структура может огибать препятствия или расширять угол.
• В разложении таких волн согласно их спектру частот
• В изменении поляризации волн
• В преобразовании фазовых структур.

Эффекты дифракции зависят от отношения длины волны к характеру среды или самих неоднородностей структуры внутри волны. Заметно проявляются такие эффекты, если неоднородность по размеру сходна с длиной волны.

Если же однородность на 3 порядка выше длины волны, то дифракцией пренебрегают и используют законы геометрической оптики. Если же неоднородность меньше длины волны, то происходит не дифракция, а рассеивание волн.

На сегодняшний день самым изученным явлением в дифракции является дифракция электромагнитных и акустических волн, оптических и гравитационно-капиллярных, то есть тех, которые образуются на жидкости.

Тонкости в толковании термина «дифракция»

Так как дифракция зависит от размеров области поля волн и его структуры, то ее можно наблюдать при соблюдения условия размеров элементов поля волн сходных с длиной волны. Так, если взять ограниченный в пространстве пучок из волн, то он расплывется и разойдется в однородной среде.

Это не подвергается закону геометрической оптики, а потому считается дифракцией. Поле волн может быть ограничено из-за присутствия поглощающих или отражающих элементов или из-за возникновения эффекта генерации и излучения самого поля.

Самые первые толкования дифракции объяснялись огибанием волнами препятствий и проникновением волн в область тени геометрии. Существуют среды, где скорость волны плавно меняется, вызывая криволинейное распространение пучка волн.

Такие эффекты получили название градиентная оптика или мираж. Волна здесь все равно может огибать препятствие. Но это распространение волны в криволинейном понятии описывается уравнением геометрической оптики, поэтому дифракцией не является.

Свет может распространяться непрямолинейно и в сильных полях тяготения, существуют даже эксперименты, подтверждающие отклонения света в сторону тяготения звезды при прохождении рядом с ней. Получается, что свет здесь тоже огибает препятствие, но дифракцией также не может считаться. В самой дифракции же нередки случаи, когда свет и не огибает препятствия, например, в случае дифракции в прозрачных фазовых структурах.

Современная наука признает, что узкое определение дифракции как огибание светом препятствия не может быть принято достаточным и адекватным.

Так как дифракция света необъяснима с точки зрения модели лучей или с точки зрения геометрической оптики, а также объясняется волновой теорией, то это определение применяют при любом отступлении от закона оптики. Важно помнить, что есть явления волн, которые не относятся ни к дифракции, ни к оптике. Это могут быть поляризация волны в оптически активной среде.

Наоборот, при коллинеарной дифракции с преобразованием мод оптики может возникать поворот плоскости поляризации, а пучок волн подвергшийся дифракции в то же время не будет менять свое направление. Такая дифракция может быть выражена в дифракции света при ультразвуке в двулучепреломляющих кристаллах. При ней два вектора оптических и акустических волн движутся параллельно друг другу. Также геометрическая оптика не в состоянии объяснить явления, возникающие в связанных волноводах, хотя они и не являются дифракцией.

Общим результатом дифракции все же является зависимость явления между длиной волны и размером неоднородностей в среде. Дифракция является универсальным волновым явлением, к которому применяются одинаковые законы.

Отдельно стоит выделить дифракцию света. Это такое явление отклонения света, при котором отклонение происходит при прохождении вблизи препятствий.

При опытах свет способен заходить в область тьмы геометрии, но если свет на своем пути встретит круглое препятствие, то на экране при опытах можно появиться дифракция картинка, которая выражается в чередовании светлых и темных колец. Если же препятствие линейное, то на экране могут появиться параллельные полосы.