¿Cómo se aplica el principio de Huygens-Fresnel a la difracción?

Question

Actualmente estoy tratando de entender la mecánica de la difracción y de comprender mejor el principio de Huygens-Fresnel, pero he llegado a un obstáculo que me hace cuestionar mi comprensión de la refracción.

En primer lugar, una rápida explicación de lo que entiendo por refracción (donde tiene sentido el principio de Huygens-Fresnel):

Según tengo entendido, la refracción es un fenómeno causado por la interacción luz-materia; cuando una onda luminosa incide sobre un material, su componente de campo eléctrico excita las partículas que lo componen, lo que provoca la emisión de nuevas ondas EM. El principio de Huygens-Fresnel tiene sentido en este caso, ya que las partículas se convierten en radiadores, e irradian nuevas ondas EM en todas las direcciones.

Así que con este entendimiento, la curvatura de la luz refractada tiene sentido: cuando una onda incidente está en un ángulo que no es de 0 grados, la onda incidente interactuará con las partículas en la superficie, de manera secuencial. Esto es lo que hace que la luz refractada se doble con respecto a la normal, ya que las partículas excitadas se comportan como un conjunto en fase, donde emiten nuevas ondas EM de forma secuencial.

Así que con la refracción, creo que son las partículas (que componen el material) las fuentes de nuevas ondas descritas por el principio de Huygens-Fresnel (los puntos amarillos en la imagen de abajo). Sospecho que aquí es donde me estoy equivocando(?)

Tenga en cuenta que la comprensión anterior es sólo para la refracción. Soy consciente de que la luz total transmitida está formada por la luz refractada y (parte de) la luz incidente.

Ahora la difracción:

En el caso de la difracción (utilizando el experimento de la división simple para simplificar), la onda es parcialmente absorbida y parcialmente transmitida. La forma de la onda transmitida no es la misma que la original, debido a la interferencia causada por las nuevas ondas, emitidas en cada punto del frente de onda.

La parte transmitida no interactúa con ninguna partícula (estoy ignorando las partículas atmosféricas), así que desde una perspectiva física, ¿qué son estos emisores (en cada punto del frente de onda/los puntos amarillos en la imagen de arriba)? ¿Y qué hace que emitan nuevas ondas?

En el caso de la refracción, los emisores son las partículas que componen el material, y emiten nuevas ondas debido a su interacción con la onda incidente. Así que entiendo cómo funciona el principio de Huygens-Fresnel con la refracción, sólo que no estoy seguro de por qué debería considerar que cada punto de un frente de onda es una fuente de nuevas ondas EM con la difracción.

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Así que, como probablemente puedas deducir, mi comprensión de la refracción está causando confusión con la difracción, lo que, a su vez, me está haciendo cuestionar mi comprensión de la refracción.

¿Es correcta mi comprensión de la refracción? ¿Los puntos a los que se refiere el principio de Huygens-Fresnel son en realidad las partículas que componen el material para la refracción? ¿Qué ocurre con la difracción?

Answer 1

El principio de Huygens-Fresnel es aplicable tanto a los medios de vacío como a los que no lo son, es decir, no es necesario que haya ningún material subyacente con partículas físicas como los electrones.

Se trata más bien de un concepto geométrico que muestra cómo podría predecirse la propagación de una onda tratando cada punto del frente de onda como una nueva fuente de ondas. No dice que estas fuentes existan realmente.

La única característica de los medios que hay que tener en cuenta para predecir la refracción mediante el principio de Huygens-Fresnel es la velocidad de propagación de las ondas, que puede ser diferente para los distintos medios, siendo la velocidad en el vacío, c, por supuesto, la más rápida.

Answer 2

Creo que tu confusión se centra en la idea de "emisores". El principio de Huygens no requiere emisores reales; simplemente afirma que cada punto del frente de onda actúa como un nuevo emisor de frentes de onda esféricos, y los frentes de onda aguas abajo actuar como si son la suma lineal de los frentes de onda emitidos por esos emisores imaginarios aguas arriba. La luz que se propaga en el espacio libre sin obstáculos obedece al principio de Huygens.

Si se bloquea un frente de onda en cualquier lugar mediante una máscara con una abertura en forma de agujero de alfiler ligeramente mayor que una longitud de onda de la onda bloqueada, surge una onda muy casi esférica en el lado posterior de la abertura. Esta observación es la base del principio de Huygens. En realidad, no importa de qué esté hecha la máscara.

Answer 3

Tienes toda la razón. La luz interactúa con los electrones de la pantalla. Si la pantalla está completamente cerrada, esto genera una onda inducida que es opuesta en fase con la onda incidente, de modo que la suma es oscuridad (una sombra).

Cuando sólo hay una pequeña obstrucción (un pelo o un fino hilo de cobre), se crea un patrón de difracción según el principio de Huygens, con los puntos del hilo como emisores del campo inducido.

Ahora está el principio de Babinet. Un hilo es el complemento de una pantalla con una rendija. Los campos inducidos de estos son opuestos en fase, pero por lo demás idénticos.

Así que el tratamiento estándar de la rendija es un atajo. No es práctico hacer las integrales al infinito de la pantalla desde los bordes de la rendija. Babinet nos dice que se obtiene el mismo perfil de intensidad.

Answer 4

En tu ejemplo de refracción, lo que hace que la luz se doble es que viaja más despacio a través del segundo material (más denso). Si viajara a la misma velocidad, no se curvaría. Se podría decir que son las partículas las que lo hacen, porque las partículas son las que ralentizan la luz.

En el ejemplo de la difracción, se supone que la luz viaja a la misma velocidad en todas partes. Pero cuando viaja hacia una pantalla plana, recorre distancias diferentes para llegar a las distintas partes de la pantalla. Y la luz procedente de distintas partes de la rendija también recorre distancias diferentes para llegar al mismo punto de la pantalla. Desde aquí me parece raro.

Supongamos que toda la luz viaja en todas direcciones. Si la rendija tiene 5 longitudes de onda, entonces, en una dirección, la luz a la altura de 4 ondas sucesivas llegará a la pantalla al mismo tiempo. Porque hay esa diferencia en la distancia que recorren. Y todas se cancelarán. Un poco más lejos, 4,5 ondas se encontrarán, y 4 de ellas se cancelarán dejando sólo 1/9 de la luz para mostrar algo.

Así que la teoría dice que TODA la luz viaja en TODAS direcciones (o al menos 180 grados, todas las direcciones hacia delante) pero la mayor parte se cancela. Cuando se piensa en ello, esto es casi tan ridículo como la teoría del fotón.

Creo que esto se hace mejor con una pantalla semicircular en vez de plana. Así toda la diferencia de distancia que recorre la luz se debe a la rendija. También se podría colocar la rendija en el extremo de un cono y tener una pantalla circular de más de 180 grados. ¿Realmente parte de la luz se curva más de 90 grados y se dirige algo hacia atrás? Nunca lo sabrá a menos que lo mida.