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/(2 n ), 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 , 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 sin θ), где θ — так называемый апертурный угол (у хороших микроскопов θ близок к 90°, и следовательно, предельное разрешение близко к дифракционному пределу λ/(2 n )).
• При изготовлении микросхем методом фотолитографии минимальный размер каждого элемента микросхемы не может быть меньше дифракционного предела, что ограничивает совершенствование технологического процесса .
• 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 (то есть 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. Кроме того, новые спекл -методы, например метод удачных экспозиций , позволяют достичь дифракционного предела даже для больших наземных оптических инструментов за счёт компьютеризированной пост-обработки больших массивов наблюдений.

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 ёмкость оптических дисков с 700 МБ ( CD ) до 25 ГБ ( Blu 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 в несколько раз лучшее, чем дифракционный предел, можно с помощью суперлинз (пластинки, действующей как метаматериал ) .
• Преодолеть дифракционный предел также позволяет ближнеполевая микроскопия (достигнуто разрешение 13 нм ).

Примечания

Ссылки

• М. Н. Либенсон. (неопр.) . Соросовский образовательный журнал . Переплет.ру (2000). Дата обращения: 21 января 2012. 18 мая 2012 года.