Límite de difracción
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El límite de difracción es el tamaño mínimo del punto ( stray spot ) que se puede obtener enfocando la radiación electromagnética . El tamaño de punto más pequeño no permite obtener el fenómeno de difracción de ondas electromagnéticas.
El límite de difracción fue descubierto en 1873 por Ernst Abbe .
El límite mínimo de difracción está determinado por la fórmula d min = λ/(2 n ), donde λ es la longitud de la onda electromagnética en el vacío , n es el índice de refracción del medio. A veces, el límite de difracción se entiende no como un tamaño lineal, sino angular, determinado por la fórmula ψ min = 1,22 λ / D (el criterio de Rayleigh [1] , propuesto en 1879), donde D es la apertura de la óptica dispositivo.
Importancia del límite de difracción en óptica y tecnología
El límite de difracción impone restricciones a las características de los dispositivos ópticos:
- Un microscopio óptico no puede distinguir entre objetos que son más pequeños que λ/(2 n sin θ), donde θ es el llamado ángulo de apertura (para buenos microscopios, θ está cerca de 90° y, por lo tanto, la resolución límite está cerca al límite de difracción λ/(2 n ))
- En la fabricación de microcircuitos por fotolitografía , el tamaño mínimo de cada elemento del microcircuito no puede ser inferior al límite de difracción, lo que limita la mejora del proceso tecnológico .
- El principio de funcionamiento de un disco óptico es leer información con un rayo láser enfocado , por lo que el límite de difracción impone un límite a la densidad máxima de información.
- La resolución del telescopio no puede ser superior a ψ min (es decir, dos fuentes de luz puntuales situadas a una distancia angular inferior a ψ min se observarán como una sola fuente). Sin embargo, la resolución de los telescopios ópticos terrestres no está limitada por el límite de difracción, sino por las distorsiones atmosféricas (el límite de difracción de los telescopios más grandes es del orden de 0,01 segundos de arco, pero debido a las distorsiones atmosféricas, la resolución real no suele superar 1 segundo). Al mismo tiempo, la resolución de los radiotelescopios y radiointerferómetros , así como de los telescopios espaciales, está limitada precisamente por el límite de difracción. Además, los nuevos métodos de motas , como el método de exposición afortunado , permiten alcanzar el límite de difracción incluso para grandes instrumentos ópticos terrestres a través del procesamiento posterior computarizado de grandes conjuntos de observaciones.
Métodos para reducir el límite de difracción
- El límite de difracción d min es proporcional a la longitud de onda, por lo tanto, se puede reducir utilizando radiación de longitud de onda más corta. Por ejemplo, el uso de un láser violeta (λ = 406 nm) en lugar de uno rojo (λ = 650 nm) permitió aumentar la capacidad de los discos ópticos de 700 MB ( CD ) a 25 GB ( Blu Ray ), la transición a los láseres de onda corta (ultravioleta) nos permite mejorar constantemente los estándares tecnológicos de producción de microchips, el uso de la gama de rayos X permite aumentar la resolución de los microscopios en órdenes de magnitud (ver microscopio de rayos X ).
- El límite de difracción es inversamente proporcional al índice de refracción del medio. Por lo tanto, se puede reducir significativamente colocando el objeto en un medio transparente con un alto índice de refracción. Esto se utiliza en microscopía óptica (ver inmersión ) y en fotolitografía (ver litografía de inmersión ).
- El límite de difracción angular ψ min es inversamente proporcional al diámetro de la apertura, por lo que la resolución se puede aumentar aumentando la apertura del telescopio. Sin embargo, en la práctica, la resolución de los grandes telescopios no está limitada por el límite de difracción, sino por las distorsiones atmosféricas, así como por los defectos en la geometría del espejo (o la composición desigual de la lente para los refractores ), por lo que el límite de difracción solo importa para radiotelescopios y telescopios ópticos espaciales. En radioastronomía, la resolución se puede mejorar mediante el uso de interferometría de radio de línea de base muy larga . Si dos radiotelescopios funcionan en modo radiointerferómetro , entonces el límite de difracción estará determinado por la fórmula ψ min = λ/ L , donde L es la distancia entre los radiotelescopios (la llamada base del radiointerferómetro ). Por ejemplo, el radiotelescopio espacial Radioastron (línea de base máxima de 400 000 km) tiene una resolución de 8 a 540 microsegundos de arco dependiendo de la longitud de onda, que es de 2 a 5 órdenes de magnitud mejor que los mejores telescopios ópticos.
Superando el límite de difracción
Notas
- ↑ Límite de difracción de resolución de instrumentos ópticos | Todo el curso de física . Archivado el 25 de enero de 2012 en Wayback Machine .
- ↑ Pendry J., Smith D. En busca de la superlente . Elementos.ru (2006). Fecha de acceso: 21 de enero de 2012. Archivado desde el original el 10 de septiembre de 2012. (indefinido)
- ↑ Astronet > Overcoming the Difraction Limit in Optics Archivado el 16 de enero de 2012 en Wayback Machine .
Enlaces