¿Por qué es difícil diferenciar entre interferencia y difracción?

Es difícil diferenciar entre los dos fenómenos porque son fundamentalmente el mismo fenómeno. Es común usar el término "interferencia" en un sentido más general, donde los campos ópticos que interfieren pueden no tener la misma fuente, o donde un haz se dividió e interfiere consigo mismo después de recombinarse. La difracción se usa más comúnmente cuando se habla de la forma en que un solo campo óptico evoluciona a medida que se propaga. En última instancia, usamos exactamente las mismas herramientas matemáticas para describir ambos, porque en realidad son solo ejemplos diferentes de comportamiento ondulatorio.

Voy a tomar un rumbo diferente al de Colin , aunque creo que él y yo estamos llegando a lo mismo.

No hay dificultad en distinguir los dos fenómenos ya que son claramente distintos. Es solo que los efectos visibles de la difracción son fenómenos de interferencia.

La difracción ocurre cuando la luz interactúa con un borde o con un gradiente de parámetros ópticos perpendiculares a su trayectoria. El resultado es un rango de vectores de onda salientes que no es uniforme sobre la cara de la onda y esto resulta en interferencia.

No deberías tener ninguna confusión.

Debo decir que soy como Colin y tiendo a pensar que los dos fenómenos se superponen y la forma en que describiría la difracción sería más o menos como lo hace Colin (lo que tal vez no sea demasiado sorprendente dado que nuestros antecedentes se superponen). Debo admitir que nunca me ha importado mucho la diferencia, pero ahora que leo la definición de @dmckee, creo que me gusta porque discrimina claramente entre los dos y, además, cuando lo pienso, describe bastante la mía. definición visceral si tuviera que dar una.

Creo que puedo reformular la definición de difracción de @dmckee como: "cómo un campo de luz que se propaga, al que se le imponen perturbaciones codificadas en un plano transversal (es decir, ortogonal a la dirección de propagación nominal), y expresa estas perturbaciones en otro plano transversal".

Aquí está mi propio entendimiento. Pienso en la difracción principalmente como:

Un proceso de codificación de frente de onda que surge de la divergencia de las ondas planas constituyentes de un campo de luz.

Considere un campo en un plano, digamos$z = 0$y dividirlo utilizando la descomposición de Fourier de la variación de campo sobre el plano$z=0$en ondas planas constituyentes, que son "modos" de las ecuaciones de Maxwell en la medida en que su descripción de propagación es simplemente que los campos se retrasan en fase por un factor de escala simple$\exp(i\,\mathbf{k}\cdot\mathbf{\Delta r})$bajo la acción de una traducción$\mathbf{\Delta r}$. Cada onda plana constituyente tiene una dirección diferente definida por el vector de onda$\left(k_x, k_y, k_z\right)$con$k^2 = k_x^2 + k_y^2 + k_z^2$( es decir, el espacio de Fourier equivalente a la ecuación de Helmholtz), es decir, todos los vectores de onda tienen la misma magnitud pero diferentes direcciones. Entonces, cuando preguntamos cómo se ve el campo con un valor diferente de$z$, construimos el campo a partir de nuestros constituyentes de onda plana en este punto (utilice una transformada inversa de Fourier). Sin embargo, ahora, debido a que todos los vectores de onda están en diferentes direcciones, todas las ondas planas han sufrido diferentes retrasos de fase para alcanzar el nuevo valor de$z$(a pesar de que su fase avanza por$k$radianes por unidad de longitud en la dirección del respectivo vector de onda). Por lo tanto, la configuración del campo se ve alterada por todos estos retrasos de fase diferentes. Esbozo esta idea en un dibujo a continuación:

Para ilustrar aún más esta idea, pensamos en un problema unidimensional, por lo que tenemos una rendija uniformemente iluminada de un ancho finito$w$modelado de la salida del láser; en este sistema simplificado que solo hay vectores de onda 2D. La pantalla con la hendidura está en el$z = 0$plano y la una dirección ortogonal es la$x$eje. Todos los componentes cartesianos de los campos cumplen la misma ecuación (Helmholtz), por lo que podemos analizar los principios con solo observar un campo escalar$\psi$(digamos, el campo eléctrico$x$-componente). Cada onda plana tiene la forma$\psi(k_x) = \exp\left(i \,(k_x\, x + k_z\, z)\right)$La transformada de Fourier de la salida de campo de la rendija es entonces (dejaré fuera los factores de$2\pi$en el FT unitario porque los factores de escala no afectan lo siguiente):

dónde$w$es el ancho de la rendija y, a menos que la rendija sea muy ancha, la transformada de Fourier tiene una amplia dispersión de frecuencias. Esto significa que para$z = 0^+$("inmediatamente aguas abajo" de la salida de la rendija) el campo es la superposición

cuando enchufamos$z = 0$in, la integral es simplemente la inversa de FT de (1) y obtenemos nuestro campo de rendija original. Pero ahora ponga un valor distinto de cero de$z$en: porque$k_x^2 + k_z^2 = k^2$, tenemos$k_z = \sqrt{k^2 - k_x^2}$(suponiendo que el campo se está ejecutando en el$+z$dirección), obtenemos

Puedes ver el "revuelto",$k_x$-factor de fase dependiente$\exp(i\, \sqrt{k^2 - k_x^2}\, z) = \exp\left(i\, k\, \cos\theta_x\,\right)$(dónde$\theta_x$es el ángulo que forma la onda plana con el vector de onda$(k_x, k_z)$hace con el$z$-axis) producirá la complicada codificación que ves como "difracción".

Un fenómeno que definitivamente hubiera preferido llamar "interferencia" en lugar de "difracción" sería la multitrayectoria: es decir, la división de un haz de luz en dos haces distintos, por ejemplo, para la interferometría y los patrones de "interferencia" que se obtienen cuando se llevan los haces. juntos otra vez.

Para mirar una situación "ambigua" común: se habla igualmente de "interferencia de rendija única" o "difracción de rendija única" para lo mismo: dado lo que he dicho anteriormente, preferiría llamar a esto "difracción".

Por último: en última instancia, la difracción se puede considerar como un caso especial de interferencia. Sin embargo, en lugar de que interfieran haces espacialmente separados, debemos tener en cuenta que el frente de onda difractado surge de la interferencia entre las ondas planas separadas que forman un campo de luz y, debido a que la longitud del camino para estos "haces" que interfieren depende de la dirección de propagación, se obtiene el frente de onda "revueltos" de los que hablé.