光的衍射檢視原始碼討論檢視歷史
| 光的衍射 |
光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將偏離直線傳播的路徑而繞到障礙物後面傳播的現象，叫光的衍射（Diffraction of light）。光的衍射和光的干涉一樣證明了光具有波動性。
簡介
光波遇到障礙物以後會或多或少地偏離幾何光學中直線傳播定律的現象。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後空間的光強分布既區別於幾何光學給出的光強分布，又區別於光波自由傳播時的光強分布，衍射光強有了一種重新分布。衍射使得一切幾何影界失去了明銳的邊緣。意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。
評價
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，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的焦面上，則到達接收屏上任意一點的衍射光也是平行光顯然，惠更斯-菲涅耳原理的提出不是為了解決光的自由傳播問題，而是為了求解光通過衍射屏以後的衍射場。為此，取波陣面為包括光孔面∑o、光屏面∑1和無窮遠處的半球面∑2等三部分構成的閉合面。基爾霍夫進一步提出（圖4）：∑0面上的光場堚0(Q)取自由波場，∑1面上的光場取0，無窮遠面上的光場對場點的貢獻為0,這稱為基爾霍夫邊界條件的假設。於是菲涅耳－基爾霍夫衍射公式中的積分區域就限於光孔面。基爾霍夫邊界條件的假設看來是比較自然的，但它並不嚴格成立。光是電磁波，嚴格的衍射理論應是高頻電磁場的矢量波理論。光屏是實物組成的，應考慮光與屏物質(導體或電介質)的相互作用，結果就擾動了光孔面上的原有光場，而且也不會使得光屏面上的光場斷然為0。但是理論表明，嚴格的邊界條件與基爾霍夫邊界條件給出的場分布的顯著差異，僅局限於光屏或光孔邊緣鄰近區域波長量級的範圍內。對於光波，由於其波長往往比光孔的線度小很多，故採用基爾霍夫邊界條件所產生的誤差不大。但是，對於無線電波的衍射就需要用較嚴格的電磁理論。於是，菲涅耳-基爾霍夫衍射積分式中的積分面只遍及光場不等於零的光孔面∑0。在光孔和接收範圍滿足旁軸條件下，傾斜因子，衍射積分簡化為式中r0是衍射屏中心到場點的距離，上式是計算衍射場的一個實用公式。[1]