Diffraction Theory - University of Louisville

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Diffraction Theory 1

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Diffraction Theory

1

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2

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3

๐‘Ÿ๐‘Ÿ1

๐‘Ÿ๐‘Ÿ2

๐ธ๐ธ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ, ๐‘ก๐‘ก = ๐ธ๐ธ1 ๐‘Ÿ๐‘Ÿ, ๐‘ก๐‘ก

๐ธ๐ธ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ, ๐‘ก๐‘ก

๐ธ๐ธ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ, ๐‘ก๐‘ก = ๐ธ๐ธ0,1๐‘Ÿ๐‘Ÿ1๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ1โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€1 +

๐ธ๐ธ0,2

๐‘Ÿ๐‘Ÿ2๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ2โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€2

+ ๐ธ๐ธ2 ๐‘Ÿ๐‘Ÿ, ๐‘ก๐‘ก

๐‘Ÿ๐‘Ÿ3

+๐ธ๐ธ0,3

๐‘Ÿ๐‘Ÿ3๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ3 โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€3

๐‘Ÿ๐‘Ÿ4

+ ๐ธ๐ธ3 ๐‘Ÿ๐‘Ÿ, ๐‘ก๐‘ก + ๐ธ๐ธ4 ๐‘Ÿ๐‘Ÿ, ๐‘ก๐‘ก

๐‘Ÿ๐‘Ÿ5

+๐ธ๐ธ0,4

๐‘Ÿ๐‘Ÿ4๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ4 โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€4

+ ๐ธ๐ธ5 ๐‘Ÿ๐‘Ÿ, ๐‘ก๐‘ก

+๐ธ๐ธ0,5

๐‘Ÿ๐‘Ÿ5๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ5 โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€5

= ๏ฟฝ๐‘–๐‘–

๐ธ๐ธ๐‘–๐‘– ๐‘Ÿ๐‘Ÿ, ๐‘ก๐‘ก

+โ‹ฏ

+ โ€ฆ

= ๏ฟฝ๐‘–๐‘–

๐ธ๐ธ0,๐‘–๐‘–

๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘–๐‘–๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘–๐‘– โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€๐‘–๐‘–

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4

Huygens-Fresnel Principle

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5

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก = ๏ฟฝ๐‘–๐‘–

๐ธ๐ธ0,๐‘–๐‘–

๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘–๐‘–๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘–๐‘– โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€๐‘–๐‘–

= ๏ฟฝ๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง = ๐‘ ๐‘ 2 + ๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2 + ๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2

๐‘Ÿ๐‘Ÿ

๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘–๐‘– ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง

๏ฟฝ๐‘–๐‘–

๏ฟฝ๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

Page 6: Diffraction Theory - University of Louisville

6

๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง โ‰… ๐‘ ๐‘  1 +๐œƒ๐œƒ2

2

Fresnel Approximation๐‘˜๐‘˜ ๐‘ ๐‘  ๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐œƒ๐œƒ4

8โ‰ช ๐œ‹๐œ‹

= ๐‘ ๐‘  1 +๐œƒ๐œƒ2

2โˆ’๐œƒ๐œƒ4

8+๐œƒ๐œƒ6

16โˆ’

5 ๐œƒ๐œƒ8

128+ โ‹ฏ

๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง = ๐‘ ๐‘ 2 + ๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2 + ๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2 = ๐‘ ๐‘  1 +๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2

๐‘ ๐‘ 2+

๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2

๐‘ ๐‘ 2 โ‰ก ๐‘ ๐‘  1 + ๐œƒ๐œƒ2

๐œƒ๐œƒ2 โ‰ก๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2

๐‘ ๐‘ 2+

๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2

๐‘ ๐‘ 2

Fresnel Diffraction

= ๐‘ ๐‘  +๐‘Œ๐‘Œ2 + ๐‘๐‘2

2 ๐‘ ๐‘ โˆ’

๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘ ๐‘ 

+๐‘ฆ๐‘ฆ2 + ๐‘ง๐‘ง2

2 ๐‘ ๐‘ 

= ๐‘ ๐‘  1 +๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2

2 ๐‘ ๐‘ 2+

๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2

2 ๐‘ ๐‘ 2

Page 7: Diffraction Theory - University of Louisville

7

๐‘˜๐‘˜๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š ๐‘ฆ๐‘ฆ2 + ๐‘ง๐‘ง2

2 ๐‘ ๐‘ โ‰ช ๐œ‹๐œ‹

๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š ๐‘ฆ๐‘ฆ2 + ๐‘ง๐‘ง2

๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ โ‰ช 1

Fraunhofer Approximation

Fraunhofer Diffractionalso known as Far-Field Diffraction

๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง โ‰… ๐‘ ๐‘  +๐‘Œ๐‘Œ2 + ๐‘๐‘2

2 ๐‘ ๐‘ โˆ’

๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘ ๐‘ 

+๐‘ฆ๐‘ฆ2 + ๐‘ง๐‘ง2

2 ๐‘ ๐‘ 

Fresnel Approximation๐‘˜๐‘˜ ๐‘ ๐‘  ๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐œƒ๐œƒ4

8โ‰ช ๐œ‹๐œ‹

Page 8: Diffraction Theory - University of Louisville

8

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก = ๏ฟฝ๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

โ‰… ๏ฟฝ๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง๐‘…๐‘…

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

=๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ,๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘…๐‘… ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง = ๐‘ ๐‘ 2 + ๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2 + ๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2

๐‘…๐‘…2 โ‰ก ๐‘ ๐‘ 2 + ๐‘Œ๐‘Œ2 + ๐‘๐‘2

= ๐‘…๐‘…2 โˆ’ 2 ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ โˆ’ 2 ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง + ๐‘ฆ๐‘ฆ2 + ๐‘ง๐‘ง2

= ๐‘…๐‘… 1 +โˆ’2 ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ โˆ’ 2 ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง + ๐‘ฆ๐‘ฆ2 + ๐‘ง๐‘ง2

๐‘…๐‘…2โ‰… ๐‘…๐‘… โˆ’

๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘…๐‘…

Page 9: Diffraction Theory - University of Louisville

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๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘…๐‘… ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

๐‘Ÿ๐‘Ÿ

๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘…๐‘…

Fraunhofer Diffraction

๐‘…๐‘…2 โ‰ก ๐‘ ๐‘ 2 + ๐‘Œ๐‘Œ2 + ๐‘๐‘2

Page 10: Diffraction Theory - University of Louisville

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Illumination at the Aperture:

In the examples to follow, we will consider a flat wavefront at

normal incidence on the aperture

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง =๐ธ๐ธ0

0

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘…๐‘… ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

Inside the aperture

Outside the aperture{

Page 11: Diffraction Theory - University of Louisville

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Apertures considered here:

1. Single Slit

2. Double Slit

3. Rectangular Aperture

4. Circular Aperture

Page 12: Diffraction Theory - University of Louisville

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1. Single Slit

๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘…๐‘…

๐‘…๐‘… โ‰ก ๐‘Œ๐‘Œ2 + ๐‘ ๐‘ 2

๐‘‘๐‘‘

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ

โˆ’ ๏ฟฝ๐‘‘๐‘‘ 2

+ ๏ฟฝ๐‘‘๐‘‘ 2

๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ๐‘…๐‘… ๐‘ฆ๐‘ฆ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ

๐œƒ๐œƒ

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ =๐‘Œ๐‘Œ๐‘…๐‘…

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘ง๐‘ง

Page 13: Diffraction Theory - University of Louisville

13

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘‘๐‘‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘‘๐‘‘2 ๐‘…๐‘…

1. Single Slit, cont.

๐ผ๐ผ โ‰ก ๐ธ๐ธ2

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ = ๐ผ๐ผ0 ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 2๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘‘๐‘‘

2 ๐‘…๐‘… ๐ผ๐ผ0 โ‰ก๐ธ๐ธ0 2

2 ๐‘…๐‘…2๐‘‘๐‘‘2

๐‘‘๐‘‘ = 50 ยต๐‘š๐‘š

๐œ†๐œ† = 0.6 ยต๐‘š๐‘š๐‘ ๐‘  = 1 ๐‘š๐‘š

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ๐‘š๐‘š ๐‘‘๐‘‘2 ๐‘…๐‘…

= ๐‘š๐‘š ๐œ‹๐œ‹

๐‘š๐‘š = ยฑ1, ยฑ2, ยฑ3

๐‘…๐‘… โ‰… 1 ๐‘š๐‘š

๐‘Œ๐‘Œ๐‘š๐‘š = ๐‘š๐‘š๐œ†๐œ† ๐‘…๐‘…๐‘‘๐‘‘

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š =๐‘Œ๐‘Œ๐‘š๐‘š๐‘…๐‘…

= ๐‘š๐‘š๐œ†๐œ†๐‘‘๐‘‘

๐‘Œ๐‘Œ(๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š)

๐‘Œ๐‘Œ1

๏ฟฝ๐ผ๐ผ ๐ผ๐ผ0

zeros at geometrical shadow

๐‘Œ๐‘Œโˆ’1

with

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘๐‘

Page 14: Diffraction Theory - University of Louisville

14

Mathematica

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15

2. Double Slit

๐‘‘๐‘‘

๐‘‘๐‘‘

๐‘š๐‘š

๐‘ฆ๐‘ฆ

๏ฟฝ๐‘š๐‘š 2 โˆ’ ๏ฟฝ๐‘‘๐‘‘ 2

๏ฟฝ๐‘š๐‘š 2 + ๏ฟฝ๐‘‘๐‘‘ 2

๏ฟฝโˆ’๐‘š๐‘š2 โˆ’ ๏ฟฝ๐‘‘๐‘‘ 2

๏ฟฝโˆ’๐‘š๐‘š2 + ๏ฟฝ๐‘‘๐‘‘ 2

๐‘ง๐‘ง

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16

๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘…๐‘…

๐‘…๐‘… โ‰ก ๐‘Œ๐‘Œ2 + ๐‘ ๐‘ 2

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ

๏ฟฝโˆ’๐‘Ž๐‘Ž2โˆ’ ๏ฟฝ๐‘‘๐‘‘ 2

๏ฟฝโˆ’๐‘Ž๐‘Ž2+ ๏ฟฝ๐‘‘๐‘‘ 2

๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ๐‘…๐‘… ๐‘ฆ๐‘ฆ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ + ๏ฟฝ๏ฟฝ๐‘Ž๐‘Ž 2โˆ’ ๏ฟฝ๐‘‘๐‘‘ 2

๏ฟฝ๐‘Ž๐‘Ž 2+ ๏ฟฝ๐‘‘๐‘‘ 2

๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ๐‘…๐‘… ๐‘ฆ๐‘ฆ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ

๐œƒ๐œƒ

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ =๐‘Œ๐‘Œ๐‘…๐‘…

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘‘๐‘‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘‘๐‘‘2 ๐‘…๐‘…

2 ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘ ๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘ ๐‘š๐‘š

2 ๐‘…๐‘…

Page 17: Diffraction Theory - University of Louisville

17

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘‘๐‘‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘‘๐‘‘2 ๐‘…๐‘…

2 ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘ ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š

2 ๐‘…๐‘…

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ = 4 ๐ผ๐ผ0 ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 2๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘‘๐‘‘

2 ๐‘…๐‘…๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘ 2

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘… ๐ผ๐ผ0 โ‰ก

๐ธ๐ธ0 2

2 ๐‘…๐‘…2๐‘‘๐‘‘2

Mathematica

๐‘‘๐‘‘

๐‘š๐‘š

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18

3. Rectangular Aperture

๐‘š๐‘š

๐‘๐‘

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘ง๐‘ง

Page 19: Diffraction Theory - University of Louisville

19

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘…๐‘… ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ๏ฟฝโˆ’๐‘๐‘2

๏ฟฝ๐‘๐‘ 2

๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ๐‘…๐‘… ๐‘ฆ๐‘ฆ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๏ฟฝ๏ฟฝโˆ’๐‘Ž๐‘Ž2

๏ฟฝ๐‘Ž๐‘Ž 2

๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘๐‘…๐‘… ๐‘ง๐‘ง๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘๐‘2 ๐‘…๐‘…

๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘ ๐‘š๐‘š

2 ๐‘…๐‘…

Page 20: Diffraction Theory - University of Louisville

20

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘๐‘

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ = ๐ผ๐ผ0 ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 2๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘๐‘

2 ๐‘…๐‘…๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 2

๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

๐ผ๐ผ0 โ‰ก๐ธ๐ธ0 2

2 ๐‘…๐‘…2๐‘š๐‘š2 ๐‘๐‘2

Page 21: Diffraction Theory - University of Louisville

21

Emission of Semiconductor Laser

Page 22: Diffraction Theory - University of Louisville

22

4. Circular Aperture

๐‘š๐‘š๐œ‘๐œ‘๐‘ฆ๐‘ฆ = ๐œŒ๐œŒ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œ‘๐œ‘๐œŒ๐œŒ

๐‘ง๐‘ง = ๐œŒ๐œŒ ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ๐œ‘๐œ‘๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

Page 23: Diffraction Theory - University of Louisville

23

Observation Plane

ฮฆ๐‘Œ๐‘Œ = ๐‘ž๐‘ž ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ฮฆ

๐‘ž๐‘ž

๐‘๐‘ = ๐‘ž๐‘ž ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ฮฆ๐‘๐‘

๐‘Œ๐‘Œ

Page 24: Diffraction Theory - University of Louisville

24

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘…๐‘… ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง = ๐‘ž๐‘ž ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ฮฆ ๐œŒ๐œŒ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œ‘๐œ‘ + ๐‘ž๐‘ž ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ฮฆ ๐œŒ๐œŒ ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ๐œ‘๐œ‘

= ๐œŒ๐œŒ ๐‘ž๐‘ž ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ๐œ‘๐œ‘ โˆ’ ฮฆ

๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง = ๐œŒ๐œŒ ๐‘‘๐‘‘๐œ‘๐œ‘ ๐‘‘๐‘‘๐œŒ๐œŒ

๐ธ๐ธ ๐‘ž๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ0

๐‘Ž๐‘Ž

๐œŒ๐œŒ ๐‘‘๐‘‘๐œŒ๐œŒ๏ฟฝ0

2๐œ‹๐œ‹

๐‘‘๐‘‘๐œ‘๐œ‘ ๐‘’๐‘’ โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐œŒ๐œŒ ๐‘ž๐‘ž ๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘ ๐œ‘๐œ‘ โˆ’ฮฆ๐‘…๐‘…

ฮฆ = 0Due to axial symmetry, we can choose:

= ๐‘ž๐‘ž ๐œŒ๐œŒ ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ฮฆ ๐œŒ๐œŒ ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ๐œ‘๐œ‘ + ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ฮฆ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œ‘๐œ‘

Page 25: Diffraction Theory - University of Louisville

25

๐ธ๐ธ ๐‘ž๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ0

๐‘Ž๐‘Ž

๐œŒ๐œŒ ๐‘‘๐‘‘๐œŒ๐œŒ๏ฟฝ0

2๐œ‹๐œ‹

๐‘‘๐‘‘๐œ‘๐œ‘ ๐‘’๐‘’ โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐œŒ๐œŒ ๐‘ž๐‘ž ๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘ ๐œ‘๐œ‘๐‘…๐‘…

A couple of integrals to solve:

Page 26: Diffraction Theory - University of Louisville

26

12 ๐œ‹๐œ‹

๏ฟฝ0

2๐œ‹๐œ‹

๐‘‘๐‘‘๐œ‘๐œ‘ ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘๐‘ ๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘ ๐œ‘๐œ‘ โ‰ก ๐ฝ๐ฝ0 ๐‘ข๐‘ข Bessel function of order zero

๐ธ๐ธ ๐‘ž๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ0

๐‘Ž๐‘Ž

๐œŒ๐œŒ ๐‘‘๐‘‘๐œŒ๐œŒ๏ฟฝ0

2๐œ‹๐œ‹

๐‘‘๐‘‘๐œ‘๐œ‘ ๐‘’๐‘’ โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐œŒ๐œŒ ๐‘ž๐‘ž ๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘ ๐œ‘๐œ‘๐‘…๐‘…

Page 27: Diffraction Theory - University of Louisville

27

๐ธ๐ธ ๐‘ž๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…2 ๐œ‹๐œ‹๏ฟฝ

0

๐‘Ž๐‘Ž

๐œŒ๐œŒ ๐‘‘๐‘‘๐œŒ๐œŒ ๐ฝ๐ฝ0 โˆ’๐‘˜๐‘˜ ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

๐œŒ๐œŒ

๐‘ข๐‘ข โ‰ก โˆ’๐‘˜๐‘˜ ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

๐œŒ๐œŒ

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…2 ๐œ‹๐œ‹

๐‘…๐‘…๐‘˜๐‘˜ ๐‘ž๐‘ž

2

๏ฟฝ0

โˆ’๐‘˜๐‘˜ ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘… ๐‘Ž๐‘Ž

ฮฑ ๐‘‘๐‘‘ฮฑ ๐ฝ๐ฝ0 ฮฑ

๐›ผ๐›ผ โ‰กโˆ’๐‘˜๐‘˜ ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

๐œŒ๐œŒ ๐œŒ๐œŒ ๐‘‘๐‘‘๐œŒ๐œŒ =๐‘…๐‘…๐‘˜๐‘˜ ๐‘ž๐‘ž

2

ฮฑ ๐‘‘๐‘‘ฮฑ

Page 28: Diffraction Theory - University of Louisville

28

๏ฟฝ0

๐›ผ๐›ผ

๐›ผ๐›ผ ๐ฝ๐ฝ0 ๐›ผ๐›ผ ๐‘‘๐‘‘๐›ผ๐›ผ โ‰ก ๐›ผ๐›ผ ๐ฝ๐ฝ1 ๐›ผ๐›ผ

Page 29: Diffraction Theory - University of Louisville

29

๐ธ๐ธ ๐‘ž๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…2 ๐œ‹๐œ‹

๐‘…๐‘…๐‘˜๐‘˜ ๐‘ž๐‘ž

2

๏ฟฝ0

โˆ’๐‘˜๐‘˜ ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘… ๐‘Ž๐‘Ž

ฮฑ ๐‘‘๐‘‘ฮฑ ๐ฝ๐ฝ0 ฮฑ

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…2 ๐œ‹๐œ‹

๐‘…๐‘…๐‘˜๐‘˜ ๐‘ž๐‘ž

2 โˆ’๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

๐ฝ๐ฝ1โˆ’๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐œ‹๐œ‹ ๐‘š๐‘š2

2 ๐ฝ๐ฝ1๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

Page 30: Diffraction Theory - University of Louisville

30

๐ผ๐ผ ๐‘ž๐‘ž,ฮฆ = ๐ผ๐ผ02 ๐ฝ๐ฝ1

๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

2

๐ผ๐ผ0 โ‰ก๐ธ๐ธ0 2

2 ๐‘…๐‘…2๐œ‹๐œ‹ ๐‘š๐‘š2 2

๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

๏ฟฝ๐ผ๐ผ ๐ผ๐ผ0

Page 31: Diffraction Theory - University of Louisville

31

zeros at ๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

= 3.832, 7.016, 10.173, โ€ฆ

๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž1๐‘…๐‘…

= 3.832

๐‘ž๐‘ž1๐‘…๐‘…

= ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ1 = 3.832๐œ†๐œ†

2 ๐œ‹๐œ‹ ๐‘š๐‘š= 1.22

๐œ†๐œ†2 ๐‘š๐‘š

first zero at

Light is essentially confined inside the cone: ๐’”๐’”๐’”๐’”๐’”๐’” ๐œƒ๐œƒ1 < ๐Ÿ๐Ÿ.๐Ÿ๐Ÿ๐Ÿ๐Ÿ ๐€๐€

๐Ÿ๐Ÿ ๐’‚๐’‚

Page 32: Diffraction Theory - University of Louisville

32

Circular Aperture

๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘ ๐‘ 

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘๐‘

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ1 =๐‘ž๐‘ž1๐‘…๐‘…

= 1.22๐œ†๐œ†

2 ๐‘š๐‘š

๐‘…๐‘…2๐‘š๐‘š

Airyโ€™spattern

๐‘š๐‘š๐‘ž๐‘ž1

๐‘ž๐‘ž1๐œƒ๐œƒ1

Page 33: Diffraction Theory - University of Louisville

33

๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

2๐‘š๐‘š

๐‘ ๐‘ 

๐‘…๐‘…

๐œƒ๐œƒ1} = 0

Page 34: Diffraction Theory - University of Louisville

34

๐‘ฆ๐‘ฆ

2๐‘š๐‘š

๐œƒ๐œƒ1๐œƒ๐œƒ1

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ1 = 1.22๐œ†๐œ†

2 ๐‘š๐‘š

tan ๐œƒ๐œƒ1 =๐‘ž๐‘ž1๐‘“๐‘“

๐‘ž๐‘ž1

๐‘ž๐‘ž1 โ‰… 1.22๐œ†๐œ† ๐‘“๐‘“2 ๐‘š๐‘š

๐‘“๐‘“

Smallest spot size:๐‘ž๐‘ž1 โ‰… 1.22

๐œ†๐œ† ๐‘“๐‘“๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

= 1.22๐œ†๐œ†๐‘๐‘ ๐‘“๐‘“๐‘ ๐‘  ๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

๐‘ ๐‘ 

Smallest angular width:๐‘ž๐‘ž1๐‘“๐‘“

= 1.22๐œ†๐œ†๐‘๐‘

๐‘ ๐‘  ๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

Page 35: Diffraction Theory - University of Louisville

35

Diameter of primary mirror 2.4 m

Wavelength 0.55 ยตm

Angular width 0.28 ร— 10-6 rad

Page 36: Diffraction Theory - University of Louisville

36

๐‘ก๐‘ก๐‘š๐‘š๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š๐‘Ž๐‘Ž๐‘š๐‘š โ‰ก๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘2 ๐‘“๐‘“

๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š๐‘Ž๐‘Ž๐‘š๐‘š

๐‘๐‘๐‘๐‘ โ‰ก ๐‘ ๐‘  ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š๐‘Ž๐‘Ž๐‘š๐‘š โ‰…๐‘ ๐‘  ๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

2 ๐‘“๐‘“

๐‘“๐‘“

๐‘“๐‘“#

=๐‘“๐‘“

๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

Page 37: Diffraction Theory - University of Louisville

37

Numerical Aperture

๐‘๐‘๐‘๐‘ โ‰ก ๐‘ ๐‘  ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š๐‘Ž๐‘Ž๐‘š๐‘š

Page 38: Diffraction Theory - University of Louisville

38

๐‘ž๐‘ž1 = 1.22๐œ†๐œ†๐‘๐‘

2 ๐‘๐‘๐‘๐‘

Smallest spot size from a lens

๐‘ฆ๐‘ฆ

2๐‘š๐‘š = ๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

๐œƒ๐œƒ1๐œƒ๐œƒ1

๐‘ž๐‘ž1

๐‘“๐‘“

๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

๐‘ ๐‘ 

๐‘ž๐‘ž1 = 1.22๐œ†๐œ†๐‘๐‘ ๐‘“๐‘“๐‘ ๐‘  ๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

๐‘๐‘๐‘๐‘ โ‰ก ๐‘ ๐‘  ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š๐‘Ž๐‘Ž๐‘š๐‘š โ‰…๐‘ ๐‘  ๐ท๐ท๐‘™๐‘™๐‘๐‘๐‘™๐‘™๐‘๐‘

2 ๐‘“๐‘“

Page 39: Diffraction Theory - University of Louisville

39

Rayleigh Criteria for Resolution

Barely resolved

Resolved

Not resolved

Page 40: Diffraction Theory - University of Louisville

40

๐‘ž๐‘ž1 = 1.22๐œ†๐œ†๐‘๐‘

2 ๐‘๐‘๐‘๐‘

๐œ†๐œ†๐‘๐‘ = 0.55 ๐œ‡๐œ‡๐‘š๐‘š

3.36 ๐œ‡๐œ‡๐‘š๐‘š 1.34 ๐œ‡๐œ‡๐‘š๐‘š 0.52 ๐œ‡๐œ‡๐‘š๐‘š 0.27 ๐œ‡๐œ‡๐‘š๐‘š

Examples of Diffraction Limit of Objective Lenses

Page 41: Diffraction Theory - University of Louisville

41

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘…๐‘… ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

๐‘Ÿ๐‘Ÿ

๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘…๐‘…

๐‘…๐‘… โ‰ก ๐‘Œ๐‘Œ2 + ๐‘๐‘2 + ๐‘ ๐‘ 2

Fraunhofer Diffraction

๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š ๐‘ฆ๐‘ฆ2 + ๐‘ง๐‘ง2

๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ โ‰ช 1

๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š ๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2 + ๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2

๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ โ‰ช 1

Page 42: Diffraction Theory - University of Louisville

42

In summary, far-field diffraction:

1. Single Slit

2. Double Slit

3. Rectangular Aperture

4. Circular Aperture

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘‘๐‘‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘‘๐‘‘2 ๐‘…๐‘…

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘‘๐‘‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘‘๐‘‘2 ๐‘…๐‘…

2 ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘ ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š

2 ๐‘…๐‘…

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘๐‘2 ๐‘…๐‘…

๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘ ๐‘š๐‘š

2 ๐‘…๐‘…

๐ธ๐ธ ๐‘ž๐‘ž,ฮฆ, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐œ‹๐œ‹ ๐‘š๐‘š2

2 ๐ฝ๐ฝ1๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ž๐‘ž๐‘…๐‘…

Page 43: Diffraction Theory - University of Louisville

43

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘ฆ๐‘ฆ + ๐‘๐‘ ๐‘ง๐‘ง๐‘…๐‘… ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝโˆ’โˆž

+โˆž

๐œ“๐œ“ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘ฆ๐‘ฆ +๐‘˜๐‘˜๐‘ง๐‘ง ๐‘ง๐‘ง ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

๐œ“๐œ“ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง โ‰ก๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง

0

inside apertureopaque obstruction

๐‘˜๐‘˜๐‘ฆ๐‘ฆ โ‰ก๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ๐‘…๐‘…

Fraunhofer Diffraction as a Fourier Transformation

๐‘˜๐‘˜๐‘ง๐‘ง โ‰ก๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘๐‘…๐‘…

{

Page 44: Diffraction Theory - University of Louisville

44

Diffraction Gratings

Page 45: Diffraction Theory - University of Louisville

45

Multiple Slits

๐‘๐‘

๐‘š๐‘š

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘š๐‘š โˆ’๐‘๐‘2

๐‘š๐‘š +๐‘๐‘2

๐‘ง๐‘ง

๐‘ต๐‘ต (infinitely long) slits of width ๐’ƒ๐’ƒ separated by distance ๐’‚๐’‚

+๐‘๐‘2

โˆ’๐‘๐‘2

๐‘๐‘ โˆ’ 1 ๐‘š๐‘š โˆ’๐‘๐‘2

๐‘๐‘ โˆ’ 1 ๐‘š๐‘š +๐‘๐‘2

Page 46: Diffraction Theory - University of Louisville

46

๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘…๐‘…

๐‘…๐‘… โ‰ก ๐‘Œ๐‘Œ2 + ๐‘ ๐‘ 2

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๏ฟฝ

โˆ’ ๐‘๐‘2

+ ๐‘๐‘2

+ ๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž โˆ’ ๐‘๐‘2

๐‘Ž๐‘Ž + ๐‘๐‘2

+ ๏ฟฝ

2 ๐‘Ž๐‘Ž โˆ’ ๐‘๐‘2

2 ๐‘Ž๐‘Ž + ๐‘๐‘2

+ โ‹ฏ + ๏ฟฝ

๐‘๐‘โˆ’1 ๐‘Ž๐‘Ž โˆ’ ๐‘๐‘2

๐‘๐‘โˆ’1 ๐‘Ž๐‘Ž + ๐‘๐‘2

๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ๐‘…๐‘… ๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ

๐œƒ๐œƒ

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ =๐‘Œ๐‘Œ๐‘…๐‘…

Page 47: Diffraction Theory - University of Louisville

47

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘๐‘2 ๐‘…๐‘…

๏ฟฝ๐‘™๐‘™= 0

๐‘๐‘โˆ’1

๐‘’๐‘’โˆ’ ๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž๐‘…๐‘…๐‘™๐‘™

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘๐‘2 ๐‘…๐‘…

1 โˆ’ ๐‘’๐‘’โˆ’๐‘–๐‘– ๐‘๐‘๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž๐‘…๐‘…

1 โˆ’ ๐‘’๐‘’โˆ’๐‘–๐‘–๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž๐‘…๐‘…

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘๐‘2 ๐‘…๐‘…

๐‘’๐‘’โˆ’๐‘–๐‘– ๐‘๐‘๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž2 ๐‘…๐‘…

๐‘’๐‘’โˆ’๐‘–๐‘–๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž2 ๐‘…๐‘…

๐‘’๐‘’+๐‘–๐‘– ๐‘๐‘๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž2 ๐‘…๐‘… โˆ’ ๐‘’๐‘’โˆ’๐‘–๐‘– ๐‘๐‘

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž2 ๐‘…๐‘…

๐‘’๐‘’+๐‘–๐‘–๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž2 ๐‘…๐‘… โˆ’ ๐‘’๐‘’โˆ’๐‘–๐‘–

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž2 ๐‘…๐‘…

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘…๐‘… โˆ’๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐‘๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘๐‘2 ๐‘…๐‘…

๐‘’๐‘’โˆ’๐‘–๐‘– ๐‘๐‘๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž2 ๐‘…๐‘…

๐‘’๐‘’โˆ’๐‘–๐‘–๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘Ž๐‘Ž2 ๐‘…๐‘…

sin ๐‘๐‘ ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

sin ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

Page 48: Diffraction Theory - University of Louisville

48

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ = ๐ผ๐ผ0 ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 2๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘๐‘

2 ๐‘…๐‘…

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ 2 ๐‘๐‘ ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ 2 ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

๐ผ๐ผ0 โ‰ก๐ธ๐ธ0 2

2 ๐‘…๐‘…2๐‘๐‘2

Intensity Pattern

Mathematica

๐‘๐‘ = 1

๐‘š๐‘š = 4

๐‘˜๐‘˜ = 1

๐‘…๐‘… = 1

Page 49: Diffraction Theory - University of Louisville

49

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ ๐‘ ๐‘ 2๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘๐‘

2 ๐‘…๐‘…โ‰… 1

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ โ‰… ๐ผ๐ผ0๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ 2 ๐‘๐‘ ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ 2 ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

Small Width Approximation:

๐‘๐‘ = 0.1

๐‘š๐‘š = 4

๐‘˜๐‘˜ = 1

๐‘…๐‘… = 1

Page 50: Diffraction Theory - University of Louisville

50

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

= ๐‘š๐‘š ๐œ‹๐œ‹ ๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก = ๐‘๐‘2 ๐ผ๐ผ0

Maxima (intensity peaks)

๐‘š๐‘š = 0, ยฑ1, ยฑ2, โ€ฆ

๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š = ๐‘š๐‘š ๐œ†๐œ†grating equation

grating order

Page 51: Diffraction Theory - University of Louisville

51

๐‘๐‘๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š

2 ๐‘…๐‘…= ๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐œ‹๐œ‹

๐‘Ÿ๐‘Ÿ = 1, 2, 3, โ€ฆ , (๐‘๐‘ โˆ’ 1)

Minima (zero intensity)

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

=๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘๐œ‹๐œ‹

๐‘๐‘ = 0.1

๐‘š๐‘š = 4

๐‘˜๐‘˜ = 1

๐‘…๐‘… = 10 <

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

< ๐œ‹๐œ‹

๐‘š๐‘š = 0 ๐‘š๐‘š = 1

10โˆ’1 ๐‘š๐‘š2โˆ’2

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ โ‰… ๐ผ๐ผ0๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ 2 ๐‘๐‘ ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘ 2 ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

Page 52: Diffraction Theory - University of Louisville

52

Angular Width

๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š + โˆ†๐œƒ๐œƒ2

2= ๐‘š๐‘š ๐œ‹๐œ‹ +

1๐‘๐‘๐œ‹๐œ‹

๐‘˜๐‘˜ ๐‘Œ๐‘Œ ๐‘š๐‘š2 ๐‘…๐‘…

=๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ

2

โˆ†๐œƒ๐œƒ =2 ๐œ†๐œ†

๐‘๐‘ ๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š

๐‘˜๐‘˜ ๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  โˆ†๐œƒ๐œƒ2

2โ‰…

1๐‘๐‘๐œ‹๐œ‹

๐‘š๐‘š

Page 53: Diffraction Theory - University of Louisville

53

Spectral Resolution

๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š = ๐‘š๐‘š ๐œ†๐œ†

๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š ๐‘‘๐‘‘๐œƒ๐œƒ = ๐‘š๐‘š ๐‘‘๐‘‘๐œ†๐œ†

โˆ†๐œ†๐œ†๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘๐‘๐‘ =๐œ†๐œ†

๐‘š๐‘š ๐‘๐‘

๐‘‘๐‘‘๐œƒ๐œƒ โ‰กโˆ†๐œƒ๐œƒ2

=๐œ†๐œ†

๐‘๐‘ ๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘๐‘๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š๐‘‘๐‘‘๐œ†๐œ† โ‰ก โˆ†๐œ†๐œ†๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘๐‘๐‘

Page 54: Diffraction Theory - University of Louisville

54

Free Spectral Range

๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ = ๐‘š๐‘š + 1 ๐œ†๐œ† = ๐‘š๐‘š ๐œ†๐œ† + โˆ†๐œ†๐œ†๐น๐น๐น๐น๐‘…๐‘…

โˆ†๐œ†๐œ†๐น๐น๐น๐น๐‘…๐‘… =๐œ†๐œ†๐‘š๐‘š

Page 55: Diffraction Theory - University of Louisville

55

Oblique Incidence

Normal Incidence

๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ โˆ’ ๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘–๐‘–๐‘™๐‘™๐‘๐‘ = ๐‘š๐‘š ๐œ†๐œ†

๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š โˆ’ ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘–๐‘–๐‘™๐‘™๐‘๐‘ = ๐‘š๐‘š ๐œ†๐œ†

๐‘š๐‘š ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘ ๐‘  ๐œƒ๐œƒ๐‘š๐‘š = ๐‘š๐‘š ๐œ†๐œ†

Page 56: Diffraction Theory - University of Louisville

56

Fresnel Diffraction

Going beyond the Fraunhofer (far-field) approximation

or

getting closer to the aperture

Page 57: Diffraction Theory - University of Louisville

57

๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง = ๐‘ ๐‘ 2 + ๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2 + ๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2

๐‘Ÿ๐‘Ÿ

๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘

๐‘Œ๐‘Œ

๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง โ‰… ๐‘ ๐‘  +1

2 ๐‘ ๐‘ ๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2 +

12 ๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก = ๏ฟฝ๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก + ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

= ๐‘ ๐‘  1 +๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2

๐‘ ๐‘ 2+

๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2

๐‘ ๐‘ 2

๐‘˜๐‘˜ ๐‘ ๐‘ ๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š ๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ 2 + ๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง 2 2

๐‘ ๐‘ 4โ‰ช ๐œ‹๐œ‹

Page 58: Diffraction Theory - University of Louisville

58

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘ โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘ ๐‘ ๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘–๐‘˜๐‘˜2 ๐‘๐‘ ๐‘Œ๐‘Œโˆ’๐‘ฆ๐‘ฆ 2+ ๐‘๐‘โˆ’๐‘ง๐‘ง 2

๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘ โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘ ๐‘ ๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘–๐œ‹๐œ‹๐œ†๐œ† ๐‘๐‘ ๐‘Œ๐‘Œโˆ’๐‘ฆ๐‘ฆ 2+ ๐‘๐‘โˆ’๐‘ง๐‘ง 2

๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

๐ธ๐ธ0 ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐œ€๐œ€ ๐‘ฆ๐‘ฆ, ๐‘ง๐‘ง =๐ธ๐ธ0

0

Inside the aperture

Outside the aperture{

Flat Wavefront Illumination

Page 59: Diffraction Theory - University of Louisville

59

๐›พ๐›พ โ‰ก2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ = โˆ’๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 2

๐‘‘๐‘‘๐›พ๐›พ

๐›ฟ๐›ฟ โ‰ก2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง

๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง = โˆ’๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 2

๐‘‘๐‘‘๐›ฟ๐›ฟ

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘ โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘ ๐‘ ๏ฟฝ

๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘–๐œ‹๐œ‹๐œ†๐œ† ๐‘๐‘ ๐‘Œ๐‘Œโˆ’๐‘ฆ๐‘ฆ 2+ ๐‘๐‘โˆ’๐‘ง๐‘ง 2

๐‘‘๐‘‘๐‘ฆ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘‘๐‘ง๐‘ง

=๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘ โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

๐‘ ๐‘ ๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 2

๏ฟฝ๐‘Ž๐‘Ž๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘๐‘

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘–๐œ‹๐œ‹2 ๐›พ๐›พ2+ ๐›ฟ๐›ฟ2 ๐‘‘๐‘‘๐›พ๐›พ ๐‘‘๐‘‘๐›ฟ๐›ฟ

=๐œ†๐œ† ๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘ โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

2๏ฟฝ๐›พ๐›พ1

๐›พ๐›พ2

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘–๐œ‹๐œ‹2 ๐›พ๐›พ

2๐‘‘๐‘‘๐›พ๐›พ ๏ฟฝ

๐›ฟ๐›ฟ1

๐›ฟ๐›ฟ2

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘–๐œ‹๐œ‹2 ๐›ฟ๐›ฟ

2๐‘‘๐‘‘๐›ฟ๐›ฟ

Page 60: Diffraction Theory - University of Louisville

60

๏ฟฝ๐›พ๐›พ1

๐›พ๐›พ2

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘–๐œ‹๐œ‹2 ๐›พ๐›พ

2๐‘‘๐‘‘๐›พ๐›พ = ๏ฟฝ

๐›พ๐›พ1

๐›พ๐›พ2

cos๐œ‹๐œ‹2๐›พ๐›พ2 ๐‘‘๐‘‘๐›พ๐›พ + ๐‘–๐‘– ๏ฟฝ

๐›พ๐›พ1

๐›พ๐›พ2

sin๐œ‹๐œ‹2๐›พ๐›พ2 ๐‘‘๐‘‘๐›พ๐›พ

= ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ1 + ๐‘–๐‘– ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ1

๏ฟฝ๐›ฟ๐›ฟ1

๐›ฟ๐›ฟ2

๐‘’๐‘’๐‘–๐‘–๐œ‹๐œ‹2 ๐›ฟ๐›ฟ

2๐‘‘๐‘‘๐›ฟ๐›ฟ = ๏ฟฝ

๐›ฟ๐›ฟ1

๐›ฟ๐›ฟ2

cos๐œ‹๐œ‹2๐›ฟ๐›ฟ2 ๐‘‘๐‘‘๐›ฟ๐›ฟ + ๐‘–๐‘– ๏ฟฝ

๐›ฟ๐›ฟ1

๐›ฟ๐›ฟ2

sin๐œ‹๐œ‹2๐›ฟ๐›ฟ2 ๐‘‘๐‘‘๐›ฟ๐›ฟ

= ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ1 + ๐‘–๐‘– ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ1

๐’ž๐’ž ๐‘š๐‘š โ‰ก ๏ฟฝ0

๐‘š๐‘š

cos๐œ‹๐œ‹2๐‘š๐‘š2 ๐‘‘๐‘‘๐‘š๐‘š ๐’ฎ๐’ฎ ๐‘š๐‘š โ‰ก ๏ฟฝ

0

๐‘š๐‘š

sin๐œ‹๐œ‹2๐‘š๐‘š2 ๐‘‘๐‘‘๐‘š๐‘š

Page 61: Diffraction Theory - University of Louisville

61

ร— ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ1 + ๐‘–๐‘– ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ1

ร— ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ1 + ๐‘–๐‘– ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ1

๐ธ๐ธ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก =๐œ†๐œ† ๐ธ๐ธ0 ๐‘’๐‘’๐‘–๐‘– ๐‘˜๐‘˜ ๐‘๐‘ โˆ’ ๐œ”๐œ” ๐‘ก๐‘ก

2

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ =๐ผ๐ผ04 ร— ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ1 2 + ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ1 2

ร— ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ1 2 + ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ1 2

Page 62: Diffraction Theory - University of Louisville

62

๐’ž๐’ž ๐‘š๐‘š โ‰ก ๏ฟฝ0

๐‘š๐‘š

cos๐œ‹๐œ‹2๐‘š๐‘šโ€ฒ2 ๐‘‘๐‘‘๐‘š๐‘š๐‘ฅ

๐’ฎ๐’ฎ ๐‘š๐‘š โ‰ก ๏ฟฝ0

๐‘š๐‘š

sin๐œ‹๐œ‹2๐‘š๐‘š๐‘ฅ2 ๐‘‘๐‘‘๐‘š๐‘š๐‘ฅ

๐’ž๐’ž ๐‘š๐‘š

๐’ฎ๐’ฎ ๐‘š๐‘š

๐‘š๐‘š

๐‘š๐‘š

๐‘š๐‘š

๐’ž๐’ž ๐‘š๐‘š๐’ฎ๐’ฎ ๐‘š๐‘š

Page 63: Diffraction Theory - University of Louisville

63

๐’ž๐’ž ๐‘š๐‘š โ‰ก ๏ฟฝ0

๐‘š๐‘š

cos๐œ‹๐œ‹2๐‘š๐‘š2 ๐‘‘๐‘‘๐‘š๐‘š

๐’ฎ๐’ฎ ๐‘š๐‘š โ‰ก ๏ฟฝ0

๐‘š๐‘š

sin๐œ‹๐œ‹2๐‘š๐‘š2 ๐‘‘๐‘‘๐‘š๐‘š

๐‘‘๐‘‘๐’ž๐’ž ๐‘š๐‘š = cos๐œ‹๐œ‹2๐‘š๐‘š2 ๐‘‘๐‘‘๐‘š๐‘š

๐‘‘๐‘‘๐’ฎ๐’ฎ ๐‘š๐‘š = sin๐œ‹๐œ‹2๐‘š๐‘š2 ๐‘‘๐‘‘๐‘š๐‘š

๐’ฎ๐’ฎ ๐‘š๐‘š

๐’ž๐’ž ๐‘š๐‘š

๐‘‘๐‘‘๐’ž๐’ž 2 + ๐‘‘๐‘‘๐’ฎ๐’ฎ 2 = ๐‘‘๐‘‘๐‘š๐‘š 2

๐‘‘๐‘‘๐’ž๐’ž๐‘‘๐‘‘๐’ฎ๐’ฎ๐‘‘๐‘‘๐‘š๐‘š

Page 64: Diffraction Theory - University of Louisville

64

Applications of Fresnel Diffraction1.No obstruction

2.Straight edge

3. Single slit

4. Rectangular aperture

5. Opaque circular disk

Page 65: Diffraction Theory - University of Louisville

65

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ =๐ผ๐ผ04 ร— ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ1 2 + ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ1 2

ร— ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ1 2 + ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ1 2

1. No Obstruction

๐›พ๐›พ โ‰ก2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ

๐›ฟ๐›ฟ โ‰ก2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘ง๐‘ง

๐›พ๐›พ2 = โˆ’โˆž

๐›พ๐›พ1 = +โˆž๐›ฟ๐›ฟ2 = โˆ’โˆž ๐›ฟ๐›ฟ1 = +โˆž

=๐ผ๐ผ04

ร— โˆ’0.5 โˆ’ 0.5 2 + โˆ’0.5 โˆ’ 0.5 2 ร— โˆ’0.5 โˆ’ 0.5 2 + โˆ’0.5 โˆ’ 0.5 2

= ๐ผ๐ผ0 No surprises here, just the obvious result !!

Page 66: Diffraction Theory - University of Louisville

66

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ =๐ผ๐ผ04

ร— ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ1 2 + ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ1 2

ร— ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ1 2 + ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ1 2

๐›พ๐›พ โ‰ก2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ

๐›ฟ๐›ฟ โ‰ก2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘ง๐‘ง๐›พ๐›พ2 = 2

๐œ†๐œ† ๐‘๐‘๐‘Œ๐‘Œ

๐›พ๐›พ1 = +โˆž๐›ฟ๐›ฟ2 = โˆ’โˆž ๐›ฟ๐›ฟ1 = +โˆž

=๐ผ๐ผ04

ร— ๐’ž๐’ž2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ 0.5

2

+ ๐’ฎ๐’ฎ2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ 0.5

2

ร— 2

2. Straight Edge

Page 67: Diffraction Theory - University of Louisville

67

๐’ฎ๐’ฎ ๐‘š๐‘š

๐’ž๐’ž ๐‘š๐‘š๐‘Œ๐‘Œ = 0

๐‘Œ๐‘Œ > 0

๐‘Œ๐‘Œ < 0 ๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘, ๐‘ก๐‘ก /๐ผ๐ผ0

๐‘Œ๐‘Œ

๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘  = 2

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ =๐ผ๐ผ02

ร— ๐’ž๐’ž2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ 0.5

2

+ ๐’ฎ๐’ฎ2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ 0.5

2

Page 68: Diffraction Theory - University of Louisville

68

Page 69: Diffraction Theory - University of Louisville

69

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ =๐ผ๐ผ04

ร— ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›พ๐›พ1 2 + ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›พ๐›พ1 2

ร— ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ž๐’ž ๐›ฟ๐›ฟ1 2 + ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ ๐›ฟ๐›ฟ1 2

๐›พ๐›พ โ‰ก2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘ฆ๐‘ฆ

๐›ฟ๐›ฟ โ‰ก2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘ โˆ’ ๐‘ง๐‘ง

๐‘ฆ๐‘ฆ

๐‘ง๐‘ง๐›พ๐›พ2 =

2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘‘๐‘‘2

๐›พ๐›พ1 =2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ + ๐‘‘๐‘‘2๐›ฟ๐›ฟ2 = โˆ’โˆž ๐›ฟ๐›ฟ1 = +โˆž

=๐ผ๐ผ04

ร— ๐’ž๐’ž2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘‘๐‘‘2 โˆ’ ๐’ž๐’ž

2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ + ๐‘‘๐‘‘2

2

+ ๐’ฎ๐’ฎ2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘‘๐‘‘2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ

2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ + ๐‘‘๐‘‘2

2

ร— 2

3. Single Slit

๐‘‘๐‘‘

Page 70: Diffraction Theory - University of Louisville

70

๐’ฎ๐’ฎ ๐‘š๐‘š

๐’ž๐’ž ๐‘š๐‘š๐‘Œ๐‘Œ = 0

๐‘Œ๐‘Œ > 0

๐‘Œ๐‘Œ < 0

๐ผ๐ผ ๐‘Œ๐‘Œ,๐‘๐‘ =๐ผ๐ผ02

ร— ๐’ž๐’ž2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘‘๐‘‘2 โˆ’ ๐’ž๐’ž

2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ + ๐‘‘๐‘‘2

2

+ ๐’ฎ๐’ฎ2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ โˆ’ ๐‘‘๐‘‘2 โˆ’ ๐’ฎ๐’ฎ

2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ + ๐‘‘๐‘‘2

2

๐›พ๐›พ1 โˆ’ ๐›พ๐›พ2 =2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘‘๐‘‘

๐›พ๐›พ1 + ๐›พ๐›พ22

=2๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘Œ๐‘Œ

Page 71: Diffraction Theory - University of Louisville

71

๐‘‘๐‘‘ = 10 ๐œ†๐œ†

๐‘‘๐‘‘

๐‘๐‘๐น๐น โ‰ก๐‘‘๐‘‘2

4 ๐œ†๐œ† ๐‘ ๐‘ 

๐‘๐‘๐น๐น = 10

๐‘๐‘๐น๐น = 1

๐‘๐‘๐น๐น = 0.5

๐‘๐‘๐น๐น = 0.1

๐œ†๐œ† = 1

๐‘ ๐‘  = 2.5 ๐œ†๐œ†

๐‘ ๐‘  = 25 ๐œ†๐œ†

๐‘ ๐‘  = 50 ๐œ†๐œ†

๐‘ ๐‘  = 250 ๐œ†๐œ†

Near field

Far field

Fresnel number

Page 72: Diffraction Theory - University of Louisville

72

Mathematica

Page 73: Diffraction Theory - University of Louisville

73

4. Rectangular Aperture

Page 74: Diffraction Theory - University of Louisville

74

5. Circular Objects

Poisson (Arago) spot