La luz que viaja en línea recta es una aproximación que funciona muy bien la mayor parte del tiempo. El caso más común donde falla es cuando la luz viaja a través de un agujero o rendija. Entonces se dobla un poco. Esto se llama difracción.
Puedes ver un ejemplo de la luz doblando cuando tienes el dedo y el pulgar cerca mientras miras entre ellos tu monitor de computadora. Cuando están separados, la luz va recta del monitor a tu ojo. Cuando casi se tocan, una protuberancia oscura parece crecer desde tus dedos para llenar el espacio. Lo que realmente está ocurriendo es que la luz que iba hacia tu ojo se desvía.
Ocurre todo el tiempo, pero la mayor parte del tiempo, el efecto es demasiado pequeño para notarlo. A veces es importante cuando las personas quieren ser muy precisas acerca de dónde va la luz.
Un lugar donde esto importa es en las lentes de las cámaras. Están diseñadas para llevar toda la luz que viene de un punto de un objeto a un punto en el sensor. Si no llegan a un punto perfecto, la imagen sale borrosa.
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Imagen de Pass My Exams
Una lente es un gran agujero. Un gran agujero causa menos doblamiento que un agujero pequeño. Pero para una lente realmente buena, la difracción es la razón principal por la que el enfoque no es perfecto.
Otro lugar donde puede importar es en un haz de láser. Las personas pueden querer un haz de láser perfectamente cilíndrico que no se expanda. La mayoría de los haces están bastante cerca, pero se expanden con la distancia. Los rayos siguen una trayectoria hiperbólica casi recta. Este tipo de haz se llama gaussiano. Aquí ves un esquema de los frentes de onda curvados. Los rayos muestran la dirección en la que los frentes de onda viajan. Los rayos siempre son perpendiculares a los frentes de onda. La expansión es generalmente una fracción de grado.
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Imagen del artículo de RP Photonics sobre Haces gaussianos
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El desenfoque en los planos fuera de foco de una cámara no se debe a la difracción y se describe igual de bien con el modelo de partículas de la luz.
Buena observación. La imagen no ilustra la difracción. Quizás esto sea confuso. Ilustra que si los rayos de un punto en un objeto no llegan al mismo punto en el sensor, la imagen saldrá borrosa. Un fílm o sensor a una distancia incorrecta es una forma de que esto ocurra. Las aberraciones de la lente son otra forma de que los rayos no se enfoquen en un punto.
Incluso si estas no están presentes, la difracción evitará un enfoque perfecto.
Una lente causa el doblamiento principalmente por refracción, y nuevamente un modelo de partículas describe esto exactamente.
La refracción se deriva típicamente del modelo de ondas.
El diseño de lentes se basa generalmente en el trazado de rayos y la refracción, y generalmente ignora la difracción. El trazado de rayos se calcula a partir de los radios de las superficies y los índices de refracción de las lentes. El efecto de la difracción se suele calcular por separado a partir de los diámetros de las lentes. La difracción se trata típicamente como una restricción. No tiene sentido diseñar una lente donde las aberraciones sean más pequeñas que el círculo de difuminado de la difracción.
La difracción se puede calcular a partir del modelo de partículas utilizando el principio de incertidumbre. Esto se describe de forma más sencilla con una rendija. Si una partícula de luz pasa por una rendija, la incertidumbre de la componente x de su posición es el ancho de la rendija. Esto crea una incertidumbre en la componente x de su momento. Esto significa que la partícula no puede apuntar con precisión al punto predicho por el trazado de rayos. La difracción a través de una apertura circular es similar, pero el cálculo es en 2-D.
El cambio de tamaño de un haz de luz enfocado a medida que se propaga se debe a los frentes de onda curvados, y esto en su mayoría no es difracción. La difracción es el hecho de que los frentes de onda de anchura finita no pueden evitar cierta propagación incluso cuando están colimados tanto como sea posible.
Hay más en un haz gaussiano que los frentes de onda curvados. La sección transversal del haz tiene un perfil de intensidad gaussiano. Es más brillante en el centro, se desvanece sin llegar a $0$. Esto no es exactamente como pasar por un agujero, pero la falta de uniformidad es la causa de los frentes de onda curvados. Esto se describe adecuadamente como difracción.
La imagen ilustra lo que sucede cuando un haz se enfoca con una lente. Dada una buena lente, la difracción determina el tamaño del punto, y por lo tanto cuánto se calienta ese punto. Pero exactamente lo mismo determina el ángulo al que se expande un haz colimado. La imagen sería la misma excepto por una cintura de haz más grande y un ángulo de divergencia más bajo. De cualquier manera, los rayos son hiperbólicos.
Por otro lado, hay un perfil de intensidad con una distribución de función de Bessel que está perfectamente colimado. Esto se puede lograr aproximadamente pasando un haz gaussiano a través de una lente axicónica. Esto tiene aplicaciones en operaciones de perforación.
