Diferencia entre la difracción de Fraunhofer y Fresnel

Tienes razón en que solo hay un conjunto de cosas físicas en difracción. La razón por la que la gente habla de dos tipos diferentes es porque hay dos límites naturales en un problema de difracción.

La intensidad de la luz que ves en cualquier punto es la contribución de todos los puntos en la apertura, donde la contribución de cualquier punto disminuye a medida que la distancia, y cada contribución acumula fase dada su trayectoria. Son las diferencias en la longitud de la trayectoria desde las diversas partes de nuestra apertura hasta un punto de interés las que conducen al interesante fenómeno de interferencia asociado con la difracción.

Considere una apertura con un tamaño característico$a$, e imagine tratar de calcular la difracción en un punto aproximadamente en línea con la apertura a cierta distancia$d$desde el punto en el centro de la apertura. Podemos estimar la diferencia de fase relativa desde el punto en el centro de la apertura y un punto cerca de su borde, a saber

$$\Delta \phi = k ( d_{\text{edge}} - d_{\text{center}})$$ donde $k$es el número de onda de nuestra luz. Podemos estimar esta diferencia de longitud usando algunas trigonometrías simples.

$$\Delta \phi = k \left( \sqrt{ d^2 + a^2 } - d \right) \sim \frac{ k a^2 }{ 2 d }$$

Entonces, hay una compensación natural en nuestro problema, entre el tamaño de nuestra apertura y la distancia a la que estamos de ella. En particular, podemos separar el problema en dos límites, uno donde$d \ll ka^2$donde esperamos grandes diferencias en la contribución de fase ($\Delta \phi \gg 1$) y$d \gg k a^2$donde esperamos poca diferencia en la contribución de fase ($\Delta \phi \ll 1$). Estas son las regiones de Fresnel y Fraunhofer respectivamente. He incluido una pequeña imagen para la ilustración.

Como puedes imaginar, estos dos límites tienen fenómenos cualitativos muy diferentes, y por eso la gente habla de ellos como dos tipos diferentes de difracción. En el límite de Fresnel, tiene principalmente sombras proyectadas de tipo óptico geométrico, con quizás algunas partes onduladas cerca de los bordes de su sombra, mientras que en la región de Fraunhofer, nuestra onda se ha extendido sobre una gran región y comienza a interferir con diferentes partes de la imagen proyectada. . Esto conduce al comportamiento observado de la difracción de Fraunhofer correspondiente a una transformada de Fourier de la apertura.

En el caso de la luz visible, esta distancia característica es bastante grande,

$$ka^2 \sim \left( \frac{ a }{ 1 \text{ cm}} \right)^2 \frac{ 2 \pi }{ 550 \text{ nm} } \sim 1 \text{ km } \left( \frac{ a }{ 1 \text{ cm}} \right)^2$$ por lo que la difracción de Fraunhofer no se puede ver directamente. Esta es la razón por la que suele ver la difracción de Fraunhofer asociada con el uso de una lente, ya que una lente convergente le permite ver este patrón de campo lejano de manera mucho más práctica.

Referencia

Aplicaciones de la física clásica por Roger D. Blandford y Kip S. Thorne - Capítulo 8 - Difracción

Difracción de Fresnel: Significa aquella fuente de luz y pantalla a una distancia finita del obstáculo. En este caso no se utilizan lentes para hacer rayos paralelos. El frente de onda es esférico o cilíndrico.

Difracción de Fraunhofer: en la difracción de Frensel, la fuente y la pantalla están a una distancia finita del obstáculo, pero en este caso, la fuente de luz y la pantalla se encuentran a una distancia infinita del obstáculo. En este caso, se producen rayos paralelos y frentes de onda planos debido al uso de lentes.

La difracción de Fraunhofer es una difracción de campo lejano en la que se aplica la aproximación de onda plana y los patrones no dependen de la distancia entre la fuente y la apertura.

Esto es diferente de la difracción de Fresnel ( campo cercano ) que ocurre cuando una onda se difracta en el campo cercano, causando que cualquier patrón de difracción observado difiera en tamaño y forma, dependiendo de la distancia entre la apertura y la proyección.

En óptica, la difracción de Fraunhofer (llamada así por Joseph von Fraunhofer), o difracción de campo lejano, es una forma de difracción de onda que se produce cuando las ondas de campo pasan a través de una abertura o rendija, lo que hace que solo cambie el tamaño de una imagen de abertura observada debido a la ubicación de campo lejano de la observación y la naturaleza cada vez más plana de las ondas difractadas salientes que pasan a través de la apertura.

Se observa a distancias más allá de la distancia de campo cercano de la difracción de Fresnel, lo que afecta tanto el tamaño como la forma de la imagen de apertura observada, y ocurre solo cuando el número de Fresnel$F \ll 1$, donde se puede aplicar la aproximación de rayos paralelos.

Por otro lado, la difracción de Fresnel o difracción de campo cercano es un proceso de difracción que ocurre cuando una onda pasa a través de una apertura y se difracta en el campo cercano, causando que cualquier patrón de difracción observado difiera en tamaño y forma, dependiendo de la distancia entre la apertura y la proyección. Ocurre debido a la corta distancia en la que se propagan las ondas difractadas, lo que resulta en un número de Fresnel mayor a 1 ($F > 1$). Cuando aumenta la distancia, las ondas difractadas salientes se vuelven planas y se produce la difracción de Fraunhofer.

Fuente: http://www.diffen.com/difference/Fraunhofer_Diffraction_vs_Fresnel_Diffraction