Warum ist es schwierig, zwischen Interferenz und Beugung zu unterscheiden?

Es ist schwierig, zwischen den beiden Phänomenen zu unterscheiden, da es sich im Grunde um dasselbe Phänomen handelt. Es ist üblich, den Begriff "Interferenz" in einem allgemeineren Sinne zu verwenden, wenn die störenden optischen Felder möglicherweise nicht dieselbe Quelle haben oder wenn ein Strahl geteilt wurde und nach der Rekombination mit sich selbst interferiert. Beugung wird häufiger verwendet, wenn es darum geht, wie sich ein einzelnes optisches Feld entwickelt, wenn es sich ausbreitet. Letztendlich verwenden wir genau die gleichen mathematischen Werkzeuge, um beide zu beschreiben, weil sie wirklich nur verschiedene Beispiele für wellenartiges Verhalten sind.

Ich werde einen anderen Weg einschlagen als Colin , obwohl ich glaube, dass er und ich auf dasselbe hinaus wollen.

Es gibt keine Schwierigkeit, die beiden Phänomene zu unterscheiden, da sie klar verschieden sind. Es ist nur so, dass die sichtbaren Effekte der Beugung Interferenzphänomene sind .

Beugung tritt auf, wenn Licht mit einer Kante oder mit einem Gradienten optischer Parameter senkrecht zu seinem Weg interagiert. Das Ergebnis ist ein Bereich von abgehenden Wellenvektoren, der über die Wellenfläche nicht gleichförmig ist, und diese führen zu Interferenzen.

Sie sollten überhaupt keine Verwirrung haben.

Ich muss sagen, ich bin wie Colin und neige dazu, die beiden Phänomene als überlappend zu betrachten, und die Art und Weise, wie ich die Beugung beschreiben würde, wäre ungefähr so ​​wie Colin (was vielleicht nicht allzu überraschend ist, da sich unsere Hintergründe überschneiden). Ich muss zugeben, dass ich mich nie wirklich um den Unterschied gekümmert habe - aber jetzt, wo ich die Definition von @dmckee lese, glaube ich, dass sie mir gefällt, weil sie sauber zwischen den beiden unterscheidet und außerdem, wenn ich darüber nachdenke, beschreibt sie ziemlich genau meine eigene Bauchdefinition, wenn ich eine geben müsste.

Ich denke, ich kann die Beugungsdefinition von @ dmckee umformulieren als: "wie ein sich ausbreitendes Lichtfeld, dem codierte Störungen in einer Querebene (dh orthogonal zur nominellen Ausbreitungsrichtung) auferlegt wurden, diese Störungen in einer anderen Querebene ausdrückt".

Hier ist mein eigenes Verständnis. Ich denke an Beugung meistens als:

Ein Wellenfront-Verwürfelungsprozess, der aus der Divergenz der einzelnen ebenen Wellen eines Lichtfelds entsteht

Stellen Sie sich zum Beispiel ein Feld in einem Flugzeug vor$z = 0$und unter Verwendung der Fourier-Zerlegung der Feldvariation über der Ebene aufgeteilt$z=0$in konstituierende ebene Wellen, die insofern "Modi" der Maxwellschen Gleichungen sind, als ihre Ausbreitungsbeschreibung einfach darin besteht, dass die Felder durch einen einfachen Skalierungsfaktor phasenverzögert werden$\exp(i\,\mathbf{k}\cdot\mathbf{\Delta r})$unter der Wirkung einer Übersetzung$\mathbf{\Delta r}$. Jede konstituierende ebene Welle hat eine andere Richtung, die durch den Wellenvektor definiert ist$\left(k_x, k_y, k_z\right)$mit$k^2 = k_x^2 + k_y^2 + k_z^2$( dh das Fourier-Raum-Äquivalent der Helmholtz-Gleichung), dh alle Wellenvektoren haben die gleiche Größe, aber unterschiedliche Richtungen. Wenn wir also fragen, wie das Feld bei einem anderen Wert von aussieht$z$, bauen wir das Feld an diesem Punkt aus unseren ebenen Wellenbestandteilen auf (verwenden Sie eine inverse Fourier-Transformation). Da nun jedoch die Wellenvektoren alle in unterschiedliche Richtungen weisen, haben die ebenen Wellen alle unterschiedliche Phasenverzögerungen beim Erreichen des neuen Werts erfahren$z$(obwohl ihre Phase um vorrückt$k$Radianten pro Längeneinheit in Richtung des jeweiligen Wellenvektors). Daher wird die Feldkonfiguration durch all diese unterschiedlichen Phasenverzögerungen verwürfelt. Ich skizziere diese Idee in einer Zeichnung unten:

Um diese Idee weiter zu veranschaulichen, stellen wir uns ein eindimensionales Problem vor, also haben wir einen gleichmäßig beleuchteten Spalt mit endlicher Breite$w$Modellieren der Laserausgabe; in diesem vereinfachten System gibt es nur 2D-Wellenvektoren. Der Bildschirm mit dem Schlitz ist in der$z = 0$Ebene und die eine orthogonale Richtung ist die$x$Achse. Alle kartesischen Komponenten der Felder erfüllen dieselbe (Helmholtz-)Gleichung, sodass wir die Prinzipien diskutieren können, indem wir nur ein Skalarfeld betrachten$\psi$(sagen wir, das elektrische Feld$x$-Komponente). Jede ebene Welle hat die Form$\psi(k_x) = \exp\left(i \,(k_x\, x + k_z\, z)\right)$Die Fourier-Transformation des Feldausgangs vom Spalt ist dann (ich lasse Faktoren von weg$2\pi$in der einheitlichen FT, da Skalierungsfaktoren Folgendes nicht beeinflussen):

Wo$w$die Schlitzbreite ist, und wenn der Schlitz nicht sehr breit ist, hat die Fourier-Transformation eine breite Streuung von Frequenzen. Dies bedeutet, dass für$z = 0^+$("unmittelbar stromabwärts" des Schlitzausgangs) ist das Feld die Überlagerung

Wenn wir einstecken$z = 0$in ist das Integral einfach die inverse FT von (1) und wir erhalten unser ursprüngliches Spaltfeld. Aber setzen Sie jetzt einen Wert ungleich Null ein$z$darin: weil$k_x^2 + k_z^2 = k^2$, wir haben$k_z = \sqrt{k^2 - k_x^2}$(vorausgesetzt das Feld läuft in der$+z$Richtung), bekommen wir

Sie können das "Scrambling" sehen,$k_x$-abhängiger Phasenfaktor$\exp(i\, \sqrt{k^2 - k_x^2}\, z) = \exp\left(i\, k\, \cos\theta_x\,\right)$(Wo$\theta_x$ist der Winkel, den die ebene Welle mit dem Wellenvektor bildet$(k_x, k_z)$macht mit dem$z$-Achse) ergibt die komplizierte Verschlüsselung, die Sie als "Beugung" sehen.

Ein Phänomen, das ich definitiv lieber "Interferenz" als "Beugung" genannt hätte, wäre Multipathing: dh die Aufspaltung eines Lichtstrahls in zwei getrennte Strahlen zB für die Interferometrie und die Muster der "Interferenz", die man erhält, wenn die Strahlen gebracht werden wieder zusammen.

Um eine gängige "mehrdeutige" Situation zu betrachten: Man spricht für dasselbe von "Einzelspaltinterferenz" oder "Einzelspaltbeugung": Angesichts dessen, was ich oben gesagt habe, würde ich dies eher "Beugung" nennen.

Abschließend: Letztlich kann man sich die Beugung als einen Sonderfall der Interferenz vorstellen. Anstatt dass räumlich getrennte Strahlen interferieren, beachten wir jedoch, dass die gebeugte Wellenfront aus der Interferenz zwischen den separaten ebenen Wellen entsteht, die ein Lichtfeld bilden, und weil die Weglänge für diese interferierenden „Strahlen“ von der Ausbreitungsrichtung abhängt, erhalten Sie die Wellenfront "Scrambling" sprach ich von.