Fraunhofer Kırınımı nedir? Neden kaynaklanır, nasıl açıklanabilir? Fresnel kırınımı nedir? Fraunhofer Kırınımı açıklaması, hakkında bilgi.
Fraunhofer Kırınımı
Neden asla kusursuz bir fotoğraf elde edemezsiniz? Neden kendi görüşümüz kusursuz değildir? En ufak bir benek bile bulanıklaşır, çünkü ışık gözün ya da fotoğraf makinesinin diyaframından geçerken yayılır. Uzaktaki manzaradan bize ulaşan ışık ışınlarının oluşturduğu bu bulanıklaşma Fraunhofer kırınımıyla açıklanır.
Çok uzakta ilerleyen bir gemiye baktığınızda adını okumanız imkânsızdır. Bunun için bir dürbün kullanmanız, yani görüntüyü büyütmeniz gerekir. Peki ama gözlerimizin çözünürlüğü neden böyle sınırlıdır? Bunun nedeni gözbebeklerimizin (yani gözdeki diyafram açıklığının) büyüklüğünde yatar. Gözdeki algılayıcıları uyarmaya yetecek ışığın girmesini sağlayacak kadar açılmaları gerekir ama ne kadar açılırlarsa giren ışık dalgaları da o kadar çok bulanıklaşır.
Mercekten geçip göze giren ışık dalgaları birçok yönden geliyor olabilir. Açıklık ne kadar büyük olursa, o kadar çok yönden gelen ışın içeri girer. Tıpkı Bragg kırınımında olduğu gibi, ışınlar fazlarının hizalı veya hizasız oluşuna bağlı olarak girişim yaparlar. Geçip girenlerin çoğu aynı fazda olur, dolayısıyla net ve parlak bir merkezi benek oluştururlar. Ama bitişik ışınların birbirini sönümlendirdiği noktalarda beneğin genişliği kısıtlanır ve kenarlarda bir dizi karanlık ve aydınlık şerit oluşur. Gözümüzün yakalayabileceği ayrıntıların incelik seviyesini, merkezdeki bu beneğin genişliği belirler.
Uzak alan
Fraunhofer kırınımı, adını usta mercek yapımcısı Alman Joseph von Fraunhofer’dan alır. Işık ışınları diyafram açıklığına veya merceğe paralel geldiğinde görüntüde oluşan bulanıklık, Fraunhofer kırmımıyla betimlenir. Uzak-alan kırınımı olarak da bilinen Fraunhofer kırınımı, uzaktaki bir kaynaktan (örneğin Güneş’ten veya yıldızlardan) gelen ışıklar mercekten geçerken oluşur. Bu mercek gözümüzün, fotoğraf makinesinin veya teleskobun merceği olabilir. Kırınım, çıplak gözle görmede olduğu gibi fotoğraflarda da nihai görüntünün bir miktar dağılıp bulanıklaşmasına yol açar. Sonuç olarak, herhangi bir optik sistemden geçerek oluşan bir görüntünün netliğinin doğal bir sınırı vardır. “Kırınım sınırı” denen bu sınır, gelen ışığın dalgaboyu ile doğru orantılı, merceğin ya da açıklığın boyutuyla da ters orantılıdır. Bu yüzden mavi görüntüler kırmızı olanlara göre biraz daha net oluşur ve geniş açıklık veya büyük mercekle elde edilenler daha az bulanık olur.
Kırınım
Elinizin gölgesinin kenarlarındaki bulanıklığın elinizin çevresindeki ışığın kırınımından kaynaklanması gibi, ışık dar bir delikten ya da açıklıktan geçerken de dağılır. Sezgilerin tersine, açıklık daraldıkça ışık daha çok dağılır. Açıklıktan gelen ışık bir ekrana düşürüldüğünde merkezde bir parlaklık ve yanlarında açık-koyu şeritler, yani girişim saçakları oluşur. Bunlar merkezden uzaklaştıkça parlaklıkları da azalır. Işınların çoğu açıklıktan dümdüz geçerek birbirini güçlendirir ama açıyla gelenler girişim yaparak açık-koyu şeritler oluşturur.
Delik ne kadar küçük olursa, şeritler arası açıklık o kadar geniş olur, çünkü ışınların izlediği yollar daha sınırlanmış, dolayısıyla daha benzer olur. İki ince gazlı bez katmanını ışığa tutup birbirlerine göre hareket ettirirseniz, üst üste gelen iplikler nedeniyle benzer açık-koyu şeritler oluşur. Bezleri üst üste yerleştirilip döndürürseniz, bir dizi koyu ve açık alanın hareket ediyor gibi göründüğünü fark edersiniz. Üst üste konan ızgaraların oluşturduğu bu girişim desenlerine “moiré deseni” denir.
Açıklık ya da mercek gözbebeklerimizde ya da fotoğraf makinelerinde olduğu gibi dairesel olursa, merkezdeki benek ve çevresindeki şeritler Airy halkaları (veya Airy diski) denen bir dizi eş merkezli halka oluşturur. Bu isim 19. yüzyılda yaşamış İskoç fizikçi George Airy’den gelir.
Yakın alan
Fraunhofer kırınımı sık görülen bir olaydır ama ışık kaynağı açıklık düzlemine yakınsa bazen biraz daha farklı bir desen ortaya çıkar. Gelen ışık ışınları birbirine paralel olmaz ve açıklıktan geçen dalga cepheleri de düz değil, kavislidir. Bu durumda şeritlerin artık düzenli aralıklarla yerleşmediği farklı bir kırınım deseni ortaya çıkar. Ulaşan dalga cepheleri bir dizi eş merkezli ve kavisli yüzey şeklini alır. Bunlar ışık kaynağı merkezde olan, bir dalgaboyu aralıklı soğan halkalarını andırır. Bu yuvarlak dalga cepheleri açıklık düzlemine vardığında, bir bıçağın soğan halkalarını kestiği gibi düzlem de içlerinden geçer. Açıklık boyunca bu bir dizi halka olarak görülür. Her halka, içinden geçen dalgaların birbirleriyle en çok bir dalgaboyu mesafede yer aldığı bir bölgeyi temsil eder.
Bu kavisli ışınların birbirleriyle nasıl harmanlandığını çözmek için açıklıktaki halkalardan gelen ışınları toplamanız gerekir. Bunlar düz bir ekranda tıpkı paralel ışınlar gibi bir dizi karanlık ve aydınlık şerit oluşturur. Ama aralıkları aynı değildir; merkezden uzaklaştıkça incelirler. Bu kırınım desenine, 19. yüzyılda onu bulan Fransız biliminsanı Augustin Fresnel’in adından hareketle Fresnel kırınımı denir.
Fresnel kırınımı
Fresnel ayrıca açıklıkla oynanarak geçecek fazların kontrol edilebileceğini ve ortaya çıkan desenin değiştirilebileceğini fark etmiştir. Bundan yararlanan Fresnel, yalnızca aynı fazda olan dalgaların geçebileceği yeni bir tip mercek üretti. Bunu yapmanın bir yolu açıklıktan geçen dalga çukurlarıyla aynı konumlarda olan bir dizi halka kesmekti. Böylece yalnızca dalga tepeleri geçebilecekti ve hemen hemen hiç girişim olmayacaktı. Bir başka yol da dalga çukurlarını yarım dalgaboyu kaydırarak yansıtmaktı. Böylece bunlar da engellenmemiş dalgalarla aynı fazda olacaklardı. Uygun konumlara daha kaim cam halkaları yerleştirerek belli bir fazdaki ışık istenen miktarda geciktirilebilirdi.
Fresnel ilk merceklerini deniz fenerleri için üretti ve bunları 1822’de Fransa’da kullandı. Gözlük merceklerinin 15 m’lik bir deniz fenerinde kullanılacak şekilde büyütüldüğünü düşünün. Fresnel’in sunduğu alternatif çözüm, bir dizi büyük ve oldukça ince halkaydı. Her birinin ağırlığı tek bir içbükey merceğin ağırlığının ancak küçük bir kısmı kadardı. Fresnel mercekleri ışığın odaklanması için arabaların ön farlarında kullanılır, bazen de geri giderken yardımcı olması için arka camlara ince saydam plastik levha olarak yapıştırılır.
Kafesler
Fraunhofer ilk kırınım kafesini yaparak girişim üzerine çalışmalarını genişletti. Bir kafeste paralel yarık sıraları şeklinde bir sürü açıklık olur. Fraunhofer kendi kafesini hizalanmış tellerden yaptı. Kırınım kafesleri ışığı dağıtmakla kalmaz, ayrıca birçok yarığı olduğu için iletilen ışığa daha başka girişim özellikleri de ekler.
Işık kırındığı ve girişim oluşturduğu için tüm bu durumlarda dalga gibi davranır. Ama dalga gibi davranmadığı da olur. Einstein ve başka bazı biliminsanları, ışığın dalga gibi olduğu kadar bazen parçacık gibi de davrandığını göstermiştir. Kuantum mekaniği bu gözlemden çıkmıştır, ileride göreceğimiz üzere, çift yarık deneyinin kuantum versiyonlarında, ışık inanılmaz biçimde, sırf biz kendisini izliyoruz diye dalga davranışından parçacık davranışına geçebilir.
