В рамках понятий геометрической оптики явление дифракции не описывается никак. Для объяснения таких процессов необходимо привлечение идей из волновой теории. Только рассматривая свет как плоскую волну можно понять те странности в поведении света, которые наблюдаются при его прохождении через небольшое отверстие в плоском экране. Геометрическая оптика предсказывает, что пучок строго параллельных лучей, пройдя через отверстие, остался бы таким же пучком строго параллельных друг другу лучей света. Однако этого не происходит. Наоборот имеет место угловой разброс пучка, который и получил названия дифракции (в данном случае на щели). То есть мы наблюдаем такую картинку:
Где W>D. В этом простейшем случае угол разброса вычисляется по следующей формуле:
То есть они пропорционален длине волны и обратно пропорционален линейному размеру щели. Нетрудно догадаться, что с увеличением частоты излучения угловой разброс становится все меньше. Что и подтверждается практической возможностью создания высокочастотных узконаправленных пучков излучения.
Пока еще мы ничего не сказали о том, почему так происходит? Для объяснения этого и подобных ему явлений привлекается фундаментальный принцип волновой оптики – так называемый принцип Гюйгенса. Формулируется он так: пучок, возникающий при падении плоской волны на апертуру (отверстие в непрозрачном экране), эквивалентен пучку от плоского излучателя, размеры которого равны размеру апертуры. Тут же становится ясно, что излучение от такого источника нельзя заменить пучком параллельно идущих лучей. Более подробная теория данного явления требует использования довольно серьезного математического аппарата. В отдельных случаях можно получить упрощенную картину, отбрасывая малые величины. Так выделяют случаи дифракции Френеля и дифракции Фраунгофера.
Дифракционная решетка
Представим себе поверхность с большим числом близко расположенных тонких вырезов (вырезы можно заменить нанесенными на поверхность штрихами – принцип Гюйгенса останется в силе). Проходя через такой прибор, плоская волна породит множество вторичных источников света, волны от которых будут интерферировать друг с другом. В результате получается любопытная картина распределения интенсивности. В световом диапазоне эта картина будет похожа на разноцветную палитру примерно такого вида:
