光的衍射查看源代码讨论查看历史
| 光的衍射 |
光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（Diffraction of light）。光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。
简介
光波遇到障碍物以后会或多或少地偏离几何光学中直线传播定律的现象。几何光学表明，光在均匀媒质中按直线定律传播，光在两种媒质的分界面按反射定律和折射定律传播。但是，光是一种电磁波，当一束光通过有孔的屏障以后，其强度可以波及到按直线传播定律所划定的几何阴影区内，也使得几何照明区内出现某些暗斑或暗纹。总之，衍射效应使得障碍物后空间的光强分布既区别于几何光学给出的光强分布，又区别于光波自由传播时的光强分布，衍射光强有了一种重新分布。衍射使得一切几何影界失去了明锐的边缘。意大利物理学家和天文学家F.M.格里马尔迪在17世纪首先精确地描述了光的衍射现象，150年以后，法国物理学家A.-J.菲涅耳于19世纪最早阐明了这一现象。
评价
实验室里为了观察衍射现象，总是由光源、衍射屏和接收衍射图样的屏幕(称为接收屏)组成一个衍射系统。为了研究的方便，通常根据衍射系统中三者的相互距离的大小，将衍射现象分为两类，一类称为菲涅耳衍射，另一类称为夫琅禾费(J.Fraunhofer,1787- 1826)衍射。所谓菲涅耳衍射，就是当光源到衍射屏的距离或接收屏到衍射屏的距离不是无限大时，或两者都不是无限大时所发生的衍射现象。可见在菲涅耳衍射中，入射光或衍射光不是平行光，或两者都不是平行光，如图13-15(a)所示。所谓夫琅禾费衍射，就是当光源到衍射屏的距离和接收屏到衍射屏的距离都是无限大时，所发生的衍射现象。可见在夫琅禾费衍射中入射光和衍射到接收屏上任意一点的光都是平行光，如图13-15(b)所示。夫琅禾费衍射的条件在实验室里可借助于透镜实现。将光源放置在会聚透镜L1的焦点上，则从L1透射的光，即衍射孔的入射光就是平行光；同时将接收屏放置在会聚透镜L2的焦面上，则到达接收屏上任意一点的衍射光也是平行光显然，惠更斯-菲涅耳原理的提出不是为了解决光的自由传播问题，而是为了求解光通过衍射屏以后的衍射场。为此，取波阵面为包括光孔面∑o、光屏面∑1和无穷远处的半球面∑2等三部分构成的闭合面。基尔霍夫进一步提出（图4）：∑0面上的光场堚0(Q)取自由波场，∑1面上的光场取0，无穷远面上的光场对场点的贡献为0,这称为基尔霍夫边界条件的假设。于是菲涅耳－基尔霍夫衍射公式中的积分区域就限于光孔面。基尔霍夫边界条件的假设看来是比较自然的，但它并不严格成立。光是电磁波，严格的衍射理论应是高频电磁场的矢量波理论。光屏是实物组成的，应考虑光与屏物质(导体或电介质)的相互作用，结果就扰动了光孔面上的原有光场，而且也不会使得光屏面上的光场断然为0。但是理论表明，严格的边界条件与基尔霍夫边界条件给出的场分布的显著差异，仅局限于光屏或光孔边缘邻近区域波长量级的范围内。对于光波，由于其波长往往比光孔的线度小很多，故采用基尔霍夫边界条件所产生的误差不大。但是，对于无线电波的衍射就需要用较严格的电磁理论。于是，菲涅耳-基尔霍夫衍射积分式中的积分面只遍及光场不等于零的光孔面∑0。在光孔和接收范围满足旁轴条件下，倾斜因子，衍射积分简化为式中r0是衍射屏中心到场点的距离，上式是计算衍射场的一个实用公式。[1]