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光繞過障礙物偏離直線傳播路徑而進入陰影區里的現象,叫光的衍射。 光的衍射和光的干涉一樣證明了光具有波動性。

1光的衍射

光波遇到障礙物以後會或多或少地偏離幾何光學傳播定律的現象。幾何光學表明,光在均勻媒質中按直線定律傳播,光在兩種媒質的分界面按反射定律和折射定律傳播。但是,光是一種電磁波,當一束光通過有孔的屏障以後,其強度可以波及到按直線傳播定律所劃定的幾何陰影區內,也使得幾何照明區內出現某些暗斑或暗紋。總之,衍射效應使得障礙物后空間的光強分佈既區別於幾何光學給出的光強分佈,又區別於光波自由傳播時的光強分佈,衍射光強有了一種重新分佈。衍射使得一切幾何影界失去了明銳的邊緣。義大利物理學家和天文學家F.M.格里馬爾迪在17世紀首先精確地描述了光的衍射現象,150年以後,法國物理學家A.-J.菲涅耳於19世紀最早闡明了這一現象。
光的衍射現象的觀察和特點  衍射是一切波所共有的傳播行為。日常生活中聲波的衍射、水波的衍射、廣播段無線電波的衍射是隨時隨地發生的,易為人覺察。但是,光的衍射現象卻不易為人們所覺察,這是因為可見光的波長很短,以及普通光源是非相干的面光源。當用一束強光照明小孔、圓屏、狹縫、細絲、刀口、直邊等障礙物時,在足夠遠的屏幕上會出現一幅幅不同的衍射圖樣。在實驗室中,過去用碳弧燈這類強點光源,而目前廣泛採用氦氖激光器作光源來顯示衍射現象,收到了良好的效果(圖1)。衍射現象具有兩個鮮明的特點:①光束在衍射屏上的某一方位受到限制,則遠處屏幕上的衍射強度就沿該方向擴展開來。②若光孔線度越小,光束受限制得越厲害,則衍射範圍越加瀰漫。理論上表明光孔橫向線度ρ與衍射發散角Δθ之間存在反比關係

2簡介

光波遇到障礙物
光的衍射

  光的衍射

以後會或多或少地偏離幾何光學傳播定律的現象。
包括:單縫衍射、圓孔衍射、圓板衍射及泊松亮斑
光在傳播過程中,遇到障礙物或小孔(窄縫)時,它有離開直線路徑繞到障礙物陰影里去的現象。這種現象叫光的衍射
衍射時產生的明暗條紋或光環,叫衍射圖樣

3產生條件

產生衍射的條件是:由於光的波長很短,只有十分之幾微米,通常物體都比它大得多,所以當光射向一個針孔、一條狹縫、一根細絲時,可以清楚地看到光的衍射。用單色光照射時效果好一些,如果用複色光,則看到的衍射圖案是彩色的。

4光的特點

光的衍射現象的觀察和特點。衍射是一切波所共有的傳播行為。日常生活中聲波的
光的衍射定義

  光的衍射定義

衍射、水波的衍射、廣播段無線電波的衍射是隨時隨地發生的,易為人覺察。但是,光的衍射現象卻不易為人們所覺察,這是因為可見光的波長很短,以及普通光源是非相干的面光源。當用一束強光照明小孔、圓屏、狹縫、細絲、刀口、直邊等障礙物時,在足夠遠的屏幕上會出現一幅幅不同的衍射圖樣。在實驗室中,過去用碳弧燈這類強點光源,而目前廣泛採用氦氖激光器作光源來顯示衍射現象,收到了良好的效果(圖1)。衍射現象具有兩個鮮明的特點:
①光束在衍射屏上的某一方位受到限制,則遠處屏幕上的衍射強度就沿該方向擴展開來。
②若光孔線度越小,光束受限制得越厲害,則衍射範圍越加瀰漫。理論上表明光孔橫向線度ρ與衍射發散角
Δθ之間存在反比關係
ρΔθλ
當光孔線度遠遠大於光波長λ時,衍射效應很不明顯,近似於直線傳播。當光孔線度逐漸變小,衍射效應逐漸明 顯,在遠處便出現亮暗分佈的衍射圖樣。當光孔線度小到可以同光波長相比擬時
光的衍射課件

  光的衍射課件

,衍射效應極為明顯,衍射範圍瀰漫整個視場,過渡為散射情形。
惠更斯-菲涅耳原理  是處理光的衍射的近似理論,惠更斯-菲涅耳原理可以表述為:波陣面上的每個面元d,可看成為一個新的振源(次波源),它們發出次波;波場中任意處P點的擾動是所有次波到達該點的次級擾動的相干疊加(圖2)。
如用復振幅(包括振幅和位相)描述波場,若一個次波到達場點的次級擾動為d堚(P), 則場點的總擾動為
式中次級擾動的振幅和位相由以下諸因素決定:
──次波源的微分面積,
觀察儀器

  觀察儀器

──次波源本身的復振幅,
──次波源發射球面波,
──傾斜因子,說明次波面源的發射具有一定的方向性。
衍射系統和衍射屏函數
從衍射積分(傍軸)式中可以看出,對各種衍射屏來說積分核是相同的,衍射場的不同分
光的衍射

  光的衍射

布是由瞳函數堚0(Q)或光場不等於零的光孔面0的形狀和大小等兩方面的差別而引起的。可能導致光波衍射的障礙物(屏)的品種是多種多樣的,凡是使波陣面上的復振幅分佈發生改變的物,統稱為衍射屏。衍射屏可以是反射物或透射物,諸如圓孔、矩孔、單縫等一類中間開孔型的,有小球、細絲、墨點、顆粒等一類中間阻擋型的,有反射閃耀光柵、透射黑白光柵、菲涅耳波帶片、正弦型光柵等周期型的,也可以是景物的一幅底片、一張圖像、一頁數碼字元等複雜型的,還可能是透鏡稜鏡等一類位相型的衍射屏。
以衍射屏為界,整個衍射系統分成前後兩部分(圖5)。前場為照明空間,充滿照明光波;后場為衍射空間,充滿衍射光波。照明光波的波型一般比較簡單,常用球面波或平面波,這兩種典型波的等相面與等幅面是重合的,屬於均勻波,其波場中沒有因光強起伏而出現的亮暗圖樣。衍射波比較複雜,它不是單純的一束球面波或平面波,其等相面與等幅面一般不重合,屬
光的衍射

  光的衍射

於非均勻波,其波場中常有光強起伏形成的衍射圖樣。在衍射系統分析中注重三個場分佈。一是衍射屏左側的入射場堚1(x,y),它是入射光波陣面函數;二是衍射屏右側的透射場堚2(x,y),當然也可以是反射場,它是衍射場波陣面函數;三是衍射波向前傳播而到達接收屏幕上的光場函數 堚(x′,y′)。將堚1場變換為堚2場的是衍射屏的作用,由堚2場導出堚場是衍射問題的基本提法,也是光的傳播問題的基本提法,其理論根據就是惠更斯-菲涅耳原理。由此可見,本質上說,光波衍射就是波陣面變換。

5衍的種類

小孔衍射
當孔半徑較大時,光沿直線傳播,在屏上得到一個按直線傳播計算出來一樣
光的衍射

  光的衍射

大小的亮光圓斑;減小孔的半徑,屏上將出現按直線傳播計算出來的倒立的光源的像,即小孔成像;繼續減小孔的半徑,屏上將出現明暗相間的圓形衍射光環。

6相關介紹

實驗室里觀察衍射現象
實驗室里為了觀察衍射現象,總是由光源、衍射屏和接收衍射圖樣的屏幕(稱為接收屏)組成一個衍射系統。為了研究的方便,通常根據衍射系統中三者的相互距離的大小,將衍射現象分為兩類
光的衍射

  光的衍射

,一類稱為菲涅耳衍射,另一類稱為夫琅禾費(J.Fraunhofer,1787- 1826)衍射。所謂菲涅耳衍射,就是當光源到衍射屏的距離或接收屏到衍射屏的距離不是無限大時,或兩者都不是無限大時所發生的衍射現象。可見在菲涅耳衍射中,入射光或衍射光不是平行光,或兩者都不是平行光,如圖13-15(a)所示。所謂夫琅禾費衍射,就是當光源到衍射屏的距離和接收屏到衍射屏的距離都是無限大時,所發生的衍射現象。可見在夫琅禾費衍射中入射光和衍射到接收屏上任意一點的光都是平行光,如圖13-15(b)所示。夫琅禾費衍射的條件在實驗室里可藉助於透鏡實現。將光源放置在會聚透鏡L1的焦點上,則從L1透射的光,即衍射孔的入射光就是平行光;同時將接收屏放置在會聚透鏡L2的焦
夫琅禾費衍射

  夫琅禾費衍射

面上,則到達接收屏上任意一點的衍射光也是平行光。

7衍射應用

光的衍射決定光學儀器的分辨本領。氣體或液體中的大量懸浮粒子對光的散射,衍射也起重要的作用。在現代光學乃至現代物理學和科學技術中,光的衍射得到了越來越廣泛的應用。衍射
光的衍射

  光的衍射

應用大致可以概括為以下四個方面:
① 衍射用於光譜分析。如衍射光柵光譜儀。
② 衍射用於結構分析。衍射圖樣對精細結構有一種相當敏感的「放大」作用,故而利用圖樣分析結構,如X射線結構學。
③ 衍射成像。在相干光成像系統中,引進兩次衍射成像概念,由此發展成為空間濾波技術和光學信息處理。光瞳衍射導出成像儀器的分辨本領。
④ 衍射再現波陣面。這是全息術原理中的重要一步。
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