Понятия о дифракции претерпели существенные изменения за время развития оптики. Сейчас слово «дифракция» означает перераспределение световой энергии в пространстве (интерференцию) вторичных источников света. При этом в отличие от случая собственно интерференции обычно предполагается, что число этих источников бесконечно (или очень велико). В силу принципа Гюйгенса–Френеля вторичным источником сферических волн является любая точка на фронте волны, зафиксированном в определенный момент времени. Например, дифракция нормально падающего параллельного когерентного пучка на щели есть не что иное, как интерференция вторичных волн, исходящих из всех точек этой щели. Результат такой дифракции — дифракционную картину — вы можете увидеть на рисунке ниже (источник света — лазер, круглая щель).
Тем не менее, дифракцией также называют явления огибания светом препятствий (выходом в область геометрической тени) и уширения пучков конечной апертуры (ширины).
Дифракция была открыта Франческо Мария Гримальди (1618–1663) в 1666 году — и именно он ввел этот термин в физику (Ньютон, впоследствии изучавший опыты Гримальди, называл ее инфлекцией, т.е. искривлением лучей). Гримальди использовал тонкий пучок света, прошедший в темную комнату через щель. Данный пучок представлял из себя конус, поскольку солнце не является точечным источником света, а также в силу конечной ширины щели. На пути этого конуса Гримальди поставил деревянную жердь и наблюдал отбрасываемую ей тень. Оказалось, что, во-первых, тень была несколько меньше рассчитанных им предполагаемых геометрических размеров, а во-вторых, что у краев тени наблюдались несколько радужных полос. Последние были едва различимы, однако их цветовая окраска говорила в пользу негеометрического характера распространения света. Действительно, лучи разных длин волн должны были распространяться по различным траекториям.
Исаак Ньютон продолжил исследования Гримальди, изучая дифракцию монохроматического света. Оказалось, что ширина дифракционных полос в красном свете больше, чем ширина в фиолетовом. Ньютон, как упоминалось ранее, предполагал, что причина этому — некоторое взаимодействие между корпускулами света, зависящее от их цвета. Корпускулярная концепция была еще одной из причин, почему Ньютон воспринимал дифракцию как отклонение траекторий частиц (лучей света). Гримальди же придерживался волнового подхода к распространению света.
В середине 17-го века итальянский ученый Франческа Мария Гримальди наблюдал странные тени от небольших предметов, помещенных в очень узкий пучок света. К удивлению ученого, эти тени не имели резких границ, а были почему-то окаймлены цветными полосами.
Опыт Гримальди несложно повторить. На рис. 22.4 в качестве примера изображена тень волоса, освещенного тонким пучком света. Хорошо видны окаймляющие тень полосы.
Этот опыт показывает, что вблизи краев препятствий свет загибается, отклоняясь от прямолинейного распространения.
Отклонение света от прямолинейного распространения и огибание им препятствий Гримальди назвал дифракцией.
Он догадался, что явление дифракции указывает на волновую природу света, но построить теорию дифракции ему не удалось.
Это сделал на основе волновой теории света французский ученый Огюстен Френель в начале 19-го века. Он и явился продолжателем Гюйгенса в развитии этой теории.
Гримальди заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить его правильно не сумел. Он понимал, что наблюдаемое им явление находится в противоречии с законом прямолинейного распространения света, а вместе с тем и с корпускулярной теорией. Однако он не решился полностью отказаться от этой теории.
Важным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференции света. Опыт Гримальди заключался в следующем: на пути солнечных лучей ставят экран с двумя близкими отверстиями (проделанными в ставне, закрывающей окно); получаются два конуса световых лучей. Помещая экран в том месте, где эти конусы накладываются друг на друга, замечают, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы его освещал только один световой конус. Из этого опыта Гримальди сделал вывод, что прибавление света к свету не всегда увеличивает освещенность.
Гримальди был первым ученым, наблюдавшим явления интерференции, дифракции и появляющиеся при этом цвета. Он описал проведенные им опыты в своем основном труде "Физическо-математический трактат о свете, цветах и радуге", вышедшем в свет в 1665 г. уже после смерти ученого. Гримальди занимался важнейшим вопросом того времени: является ли свет субстанцией или свойством. Его вывод совпал с выводом Аристотеля - свет это акцидентальное свойство. Также он изучал солнечный спектр, явления преломления и отражения, разработал теорию цветов. Также как и Гук, был сторонником теории волновой природы света.
Свет, по Гримальди, - это распространяющийся световой флюид (тонкая неощутимая жидкость). Когда свет встречается с препятствием, то оно вызывает волны этого флюида. Гримальди привел аналогию с волнами, распространяющимися по поверхности воды. Подобно тому, как вокруг камня, брошенного в воду, образуется волна, так и препятствие, помещенное на пути света, вызывает в световом флюиде волны, которые распространяются за границы геометрической тени. Гримальди открыл, что различие видимых цветов объясняется определенной волнистостью света.
Таким образом, Гримальди приписал наблюдаемые им явления волновым колебаниям, подобным всем хорошо знакомой ряби на воде или звуковым колебаниям, причем различные цвета имели различную длину волн, подобно музыкальным звукам.