衍射极限是指在光学系统中,由于光的波动性,光线通过小孔或狭缝后会发生衍射,导致图像无法无限清晰地放大。这个现象最早由德国物理学家奥托·冯·格里克和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦研究,并最终由阿道夫·爱因斯坦和马克斯·普朗克进一步发展。衍射极限描述了光学系统分辨率的最高限制,即当物镜的孔径(如透镜或光阑)相对于光的波长变得非常小的时候,光的衍射效应会变得显著,从而限制了对微小物体的分辨能力。
衍射极限的数学表达式可以通过瑞利判据来描述。瑞利判据指出,当两个点光源的衍射图样中心峰值之间的距离等于一个峰值宽度时,这两个点光源刚好可以被分辨。换句话说,如果两个衍射图样的第一暗环相切,那么这两个点光源就是刚刚可分辨的。这个判据对于显微镜、望远镜和其他光学仪器的设计具有重要意义,因为它决定了这些仪器的最大分辨率。
衍射极限的影响在许多领域都有体现,包括光学成像、激光技术、光纤通信和电子显微镜等。例如,在电子显微镜中,由于电子的波长比可见光短得多,因此电子显微镜可以达到比光学显微镜更高的分辨率,但仍然受到衍射极限的限制。
为了克服衍射极限的限制,科学家们开发了多种技术,如近场光学、超分辨率显微镜和受激辐射放大(STED)等。这些技术通过特殊的光学设计或处理方法,能够在一定程度上突破衍射极限,实现更高分辨率的成像。