Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

Chapter 8 Optics

8.1Introduction

Any attempt to unify the notations and terminology of optics is doomed to failure. This is partly due to the long and illustrious history of the subject (a pedigree shared only with mechanics), which has allowed a variety of approaches to develop, and partly due to the disparate fields of physics to which its basic principles have been applied. Optical ideas find their way into most wave-based branches of physics, from quantum mechanics to radio propagation.

Nowhere is the lack of convention more apparent than in the study of polarisation, and so a cautionary note follows. The conventions used here can be taken largely from context, but the reader should be aware that alternative sign and handedness conventions do exist and are widely used. In particular we will take a circularly polarised wave as being right-handed if, for an observer looking towards the source, the electric field vector in a plane perpendicular to the line of sight rotates clockwise. This convention is often used in optics textbooks and has the conceptual advantage that the electric field orientation describes a right-hand corkscrew in space, with the direction of energy flow defining the screw direction. It is however opposite to the system widely used in radio engineering, where the handedness of a helical antenna generating or receiving the wave defines the handedness and is also in the opposite sense to the wave’s own angular momentum vector.

8

162

Optics

 

 

8.2 Interference Newton’s ringsa

 

rn2

 

 

 

 

 

rn

radius of nth ring

nth dark ring

= nRλ0

 

 

 

(8.1)

n

 

integer (≥ 0)

 

 

= n+

 

 

0

 

R

lens radius of curvature

nth bright ring

rn2

1

(8.2)

λ

0

wavelength in external

 

 

 

 

medium

2

 

 

aViewed in reflection.

R

rn

Dielectric layersa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η1

 

 

RN

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

1

 

 

 

 

 

 

ηa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

N × { ηb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

single layer η2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

multilayer

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − R

 

 

 

 

 

 

 

η3

 

1 − RN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

film thickness

Quarter-wave

a =

 

m λ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.3)

 

m

thickness integer

condition

 

η2

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(m ≥ 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η2

film refractive index

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ0

free-space wavelength

 

 

 

 

 

 

 

η1

η3

η22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

power reflectance

 

 

 

 

 

 

 

 

(m odd)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

coe cient

Single-layer

 

 

η1η3 +

η2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

reflectanceb

R =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

(8.4)

 

η1

entry-side refractive

 

 

 

 

 

 

η1

 

η3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(m even)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

index

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η1 + η3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η3

exit-side refractive

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

index

Dependence of

max if

 

 

 

(−1)m(η1 η2)(η2 η3) > 0

(8.5)

 

 

 

 

 

R on layer

min if

 

 

 

(−1)m(η1 η2)(η2 η3) < 0

(8.6)

 

 

 

 

 

thickness, m

R = 0

 

 

 

if

 

η2

= (η1η3)

1/2

and m odd

(8.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RN

multilayer reflectance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

N

number of layer pairs

Multilayer

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2N

 

 

 

 

 

 

 

ηa

refractive index of top

c

RN

=

 

 

 

η1 η3(ηab)

 

 

 

 

 

(8.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

reflectance

 

 

 

η1 + η3(ηab)2N

 

 

 

 

 

 

 

 

layer

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ηb

refractive index of

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bottom layer

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aFor normal incidence, assuming the quarter-wave condition. The media are also assumed lossless, with µr = 1. bSee page 154 for the definition of R.

cFor a stack of N layer pairs, giving an overall refractive index sequence η1ηabηa ...ηaηbη3 (see right-hand diagram). Each layer in the stack meets the quarter-wave condition with m = 1.

8.2 Interference

163

 

 

Fabry-Perot etalona

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

eiφ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

 

 

 

e2iφ

 

η

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e3iφ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

incident rays

 

η

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

incremental phase di erence

 

 

 

 

 

φ = 2k0cosθ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.9)

 

k0

free-space wavenumber (= 2π/λ0)

 

 

Incremental

 

= 2k01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1/2

 

h

cavity width

 

 

 

 

 

 

 

ηsinθ

 

θ

fringe inclination (usually

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

phase

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.10)

 

θ

internal angle of refraction

 

 

 

b

 

 

 

η

 

 

 

 

di erence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η

cavity refractive index

 

 

 

 

 

 

= 2πn

 

 

for a maximum

 

(8.11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η

external refractive index

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

fringe order (integer)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Coe cient of

F =

 

 

 

 

4R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.12)

 

F

coe cient of finesse

 

 

 

finesse

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 − R)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

interface power reflectance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F =

 

 

F1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.13)

 

F

finesse

 

 

 

Finesse

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ0

free-space wavelength

 

 

 

 

 

=

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.14)

 

Q

cavity quality factor

 

 

 

 

 

η h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

(1

R)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I(θ) =

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.15)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Transmitted

 

 

 

 

 

 

 

1 + R

− 2R cosφ

 

 

 

 

I

transmitted intensity

 

 

 

intensity

 

=

 

 

 

 

 

 

 

I0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.16)

 

I0

incident intensity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + F sin2(φ/2)

 

 

 

 

 

A

Airy function

 

 

 

 

 

 

 

= I0A(θ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.17)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fringe

 

φ = 2arcsin(F−1/2)

 

 

 

(8.18)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

phase di erence at half intensity

 

8

intensity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2F−1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.19)

 

 

point

 

 

profile

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chromatic

 

λ0

 

 

 

R1/2πn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δλ 1

R

= nF

 

 

 

 

 

(8.20)

 

δλ

minimum resolvable wavelength

 

 

resolving

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

di erence

 

 

 

power

 

 

 

2F

 

 

(θ

 

1)

 

 

 

(8.21)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Free spectral

δλf = Fδλ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.22)

 

δλf

wavelength free spectral range

 

 

rangec

 

δνf =

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.23)

 

δνf

frequency free spectral range

 

 

 

 

 

2η h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aNeglecting any e ects due to surface coatings on the etalon. See also Lasers on page 174. bBetween adjacent rays. Highest order fringes are near the centre of the pattern.

cAt near-normal incidence (θ 0), the orders of two spectral components separated by < δλf will not overlap.

164

Optics

 

 

8.3 Fraunhofer di raction

Gratingsa

coherent plane waves

Young’s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kDs

 

 

 

 

 

 

 

double

I(s) = I0 cos2

 

 

 

 

 

 

(8.24)

 

 

 

 

 

 

 

slitsb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N equally

 

 

 

 

 

 

sin(Nkds/2)

 

 

2

 

spaced

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I(s) = I0

N sin(kds/2)

 

 

(8.25)

narrow slits

 

Infinite

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

grating

I(s) = I0 n=

−∞

δ

d

 

 

(8.26)

Normal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinθn =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.27)

incidence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Oblique

sinθn + sinθi =

 

 

 

 

 

 

(8.28)

incidence

 

d

 

 

 

 

 

Reflection

sinθn − sinθi =

 

 

 

 

 

 

(8.29)

grating

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chromatic

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

resolving

 

 

= Nn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.30)

 

δλ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

power

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Grating

 

∂θ

 

=

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.31)

dispersion

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂λ

 

dcosθ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bragg’s

2asinθn =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.32)

lawc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I(s) di racted intensity

I0 peak intensity

θdi raction angle

s= sinθ

Dslit separation

λwavelength

Nnumber of slits

kwavenumber (= 2π/λ)

dslit spacing

ndi raction order

δDirac delta function

θn

angle of di racted

 

maximum

θi

angle of incident

 

illumination

δλ di raction peak width

aatomic plane spacing

aUnless stated otherwise, the illumination is normal to the grating. bTwo narrow slits separated by D.

cThe condition is for Bragg reflection, with θn = θi.

D

'

d

N

θi

θn

θi θn

θn a

8.3 Fraunhofer di raction

165

 

 

Aperture di raction

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

)

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

(

x,y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

coherent plane-wave

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

illumination,

normal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

to the xy plane

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ

di racted wavefunction

 

 

General a1-D

ψ(s) −∞ f(x)e−iksx dx

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.33)

I

di racted intensity

 

aperture

I(s)

 

ψψ (s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.34)

θ

di raction angle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

= sinθ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

aperture amplitude

 

 

General 2-D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

transmission function

 

aperture in

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ik(sxx+sy y)

 

 

 

x,y

distance across aperture

 

(x,y) plane

ψ(sx,sy) f(x,y)e

 

 

 

 

 

 

dxdy

(8.35)

k

wavenumber (= 2π/λ)

 

(small angles)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sx

deflection xz plane

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sy

deflection xz plane

 

 

I(s) = I0

 

sin2(kas/2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.36)

I0

peak intensity

 

 

Broad 1-D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(kas/2)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

slit width (in x)

 

 

slitb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.37)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I0 sinc (as/λ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

wavelength

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sidelobe

 

In

 

 

2

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

intensity

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n > 0)

 

(8.38)

In

nth sidelobe intensity

 

 

I0

π

 

 

(2n+ 1)2

 

 

 

 

 

 

Rectangular

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 asx

 

 

 

2 bsy

 

 

 

 

 

a

aperture width in x

 

 

aperture

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinc

 

 

 

 

(8.39)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I(sx,sy) = I0 sinc λ

 

λ

 

 

 

 

b

aperture width in y

 

 

(small angles)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Circular

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2J1(kDs/2)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J1

first-order Bessel function

 

 

aperturec

I(s) = I0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.40)

D

aperture diameter

 

 

 

kDs/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

First

s = 1.22

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.41)

λ

wavelength

 

minimumd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

First subsid.

s = 1.64

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.42)

 

 

 

 

 

 

maximum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Weak 1-D

f(x) = exp[iφ(x)] 1 + iφ(x)

 

 

 

 

(8.43)

φ(x) phase distribution

 

 

phase object

 

 

 

 

i

i2 =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fraunhofer

 

 

 

 

(∆x)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

distance of aperture from

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.44)

 

observation point

 

 

limite

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

aperture size

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aThe Fraunhofer integral.

bNote that sincx = (sinπx)/(πx).

cThe central maximum is known as the “Airy disk.”

dThe “Rayleigh resolution criterion” states that two point sources of equal intensity can just be resolved with di raction-limited optics if separated in angle by 1.22λ/D.

ePlane-wave illumination.

166

Optics

 

 

8.4 Fresnel di raction

Kirchho ’s di raction formulaa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

x

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

d

S

 

 

dA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

source

 

 

sˆ

 

 

 

r

θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

ψ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(source at infinity)

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

ψP

complex amplitude at P

 

 

i

K(θ)

eikr

 

 

λ

wavelength

Source at

 

 

 

k

wavenumber (= 2π/λ)

ψP = − λψ0

 

dA

(8.45)

infinity

r

ψ0

incident amplitude

 

 

plane

 

 

 

θ

obliquity angle

 

 

 

 

 

 

 

 

where:

 

 

 

 

 

 

 

r

distance of dA from P ( λ)

Obliquity

 

 

 

 

 

 

 

dA

area element on incident

 

1

 

 

 

 

 

 

wavefront

factor

 

 

 

 

 

 

 

K(θ) =

2 (1 + cosθ)

 

 

(8.46)

K

obliquity factor

(cardioid)

 

 

 

 

 

 

 

dS

element of closed surface

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iE0

 

eik(ρ+r)

 

 

ˆ

unit vector

Source at

ψP = −

 

 

· rˆ) − cos(sˆ · ρˆ )] dS

s

vector normal to dS

finite

λ

2ρr

[cos(sˆ

r

vector from P to dS

distanceb

closed surface

 

 

(8.47)

ρ

vector from source to dS

 

 

 

 

 

 

 

E0

amplitude (see footnote)

 

 

 

 

 

 

 

 

aAlso known as the “Fresnel–Kirchho formula.” Di raction by an obstacle coincident with the integration surface can be approximated by omitting that part of the surface from the integral.

bThe source amplitude at ρ is ψ(ρ) = E0ei. The integral is taken over a surface enclosing the point P .

Fresnel zones

 

 

y

 

source

z1

z2

observer

E ective aperture

1

1

1

 

distancea

 

 

=

 

 

+

 

 

 

 

z

z1

z2

Half-period zone

yn = (nλz)1/2

radius

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Axial zeros (circular

zm =

R2

aperture)

2

 

 

z

e ective distance

(8.48)

z1

source–aperture distance

 

z2

aperture–observer distance

 

n

half-period zone number

(8.49)

λ

wavelength

 

yn

nth half-period zone radius

 

zm

distance of mth zero from

(8.50)

 

aperture

 

R

aperture radius

 

 

 

aI.e., the aperture–observer distance to be employed when the source is not at infinity.

8.4 Fresnel di raction

167

 

 

Cornu spiral

0.8

2

3

0.6

Cornu Spiral

3

 

 

5

 

 

 

Edge di raction

 

 

 

 

 

 

 

2.5

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

0.4

 

 

 

 

 

w)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

−2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

intensity

+

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5

+)w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

 

 

 

 

−0.2

 

 

 

2

 

 

C(w)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CS(

 

 

 

 

−0.4

5

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−0.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.8

0.8

 

 

2

0.2 0

0.2

0.4

0.6

 

 

 

0.8

0

4

2

 

0

2

4

0.6

0.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

πt2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fresnel

 

a

 

C(w) = 0

cos 2

dt

 

 

 

(8.51)

C

Fresnel cosine integral

integrals

 

 

 

w

πt2

 

 

 

 

 

 

 

S

Fresnel sine integral

 

 

 

 

 

 

 

S(w) =

0

sin 2

dt

 

 

 

 

 

(8.52)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CS(w) = C(w) + iS(w)

 

 

(8.53)

CS

Cornu spiral

 

Cornu spiral

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v,w

length along spiral

 

 

 

 

 

 

 

CS(±∞) = ± 2 (1 + i)

 

 

 

 

 

(8.54)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ0

 

 

1

 

 

 

 

 

ψP

complex amplitude at P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ0

unobstructed amplitude

 

 

 

 

 

 

ψP = 21/2 [CS(w) + 2 (1 + i)]

 

(8.55)

 

 

 

 

 

 

 

λ

wavelength

 

Edge di raction

 

 

2

 

1/2

 

 

 

z

distance of P from

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where

w = y

 

 

 

 

 

 

(8.56)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aperture plane [see (8.48)]

 

 

 

 

 

 

 

 

λz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

position of edge

 

 

 

 

 

 

 

ψ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

coherent

 

 

Di raction

ψP = 21/2 [CS(w2) − CS(w1)]

 

(8.57)

 

8

 

plane waves

 

from a long

 

 

 

2

 

 

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

slitb

 

 

 

 

where

wi = yi λz

 

 

 

(8.58)

 

 

y2

P

 

 

 

 

 

 

 

ψ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1

 

 

 

 

 

 

ψP =

2 [CS(v2) − CS(v1)] ×

 

(8.59)

 

 

z

 

Di raction

 

[CS(w2) − CS(w1)]

 

(8.60)

xi

positions of slit sides

 

from a

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1/2

 

 

 

yi

positions of slit

 

rectangular

where

vi = xi

 

 

 

 

(8.61)

 

 

 

 

 

 

 

aperture

 

 

 

 

λz

 

 

 

 

 

 

top/bottom

 

 

 

 

 

 

 

 

wi = yi

2

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

and

 

 

 

 

(8.62)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λz

 

 

 

 

 

 

 

 

aSee also Equation (2.393) on page 45. bSlit long in x.