淺談光的衍射

袁鑫淼

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720160

摘要：光學(xué)是物理學(xué)最古老也是最基礎(chǔ)的學(xué)科之一，從十七世紀(jì)人們相繼從自然界中發(fā)現(xiàn)存在與光的直線傳播現(xiàn)象不完全符合的事實(shí)，光的波動(dòng)性便進(jìn)入了人們的視野，最先開(kāi)始的便是光的衍射現(xiàn)象，光的粒子性決定了光沿直線傳播，光的波動(dòng)性決定了光的干涉和衍射現(xiàn)象，人們對(duì)此進(jìn)行了不少實(shí)驗(yàn)研究與理論探討。

關(guān)鍵詞：惠更斯原理；菲涅耳原理；惠更斯—菲涅耳原理；菲涅耳衍射實(shí)驗(yàn)分析；夫瑯禾費(fèi)衍射

一、光的衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

日常生活中水波的衍射、廣播傳輸中的無(wú)線型電波是不限時(shí)間發(fā)生的，該種現(xiàn)象可以被人們進(jìn)行察覺(jué)或是肉眼辨認(rèn)。但是，一些光線呈現(xiàn)出衍射現(xiàn)象卻不能讓人們進(jìn)行觀察和辨認(rèn)的，出現(xiàn)該種現(xiàn)象是基于光波長(zhǎng)短各異導(dǎo)致的，短光波是人們可以用眼睛看到的，普通光源也是人們能夠看見(jiàn)的。光的衍射現(xiàn)象是意大利物理學(xué)家格里馬弟（16181663）首先發(fā)現(xiàn)的，但當(dāng)時(shí)格里馬弟并未正確解釋這一現(xiàn)象，他知道他所觀察到的這一現(xiàn)象是與光沿直線傳播相矛盾的，也與當(dāng)時(shí)主流的光粒子說(shuō)相矛盾，他認(rèn)為光是一種感覺(jué)不到的相當(dāng)稀薄的流體，他認(rèn)為這種光流體在遇到障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生與水面相似的波紋，引起流體的波動(dòng)。

格里馬弟把光與水面類比，認(rèn)為光在傳播途中遇到障礙物就如同在水中投入石子一樣，障礙物會(huì)引起光流體的波動(dòng)形成波紋，這些波傳播時(shí)會(huì)超出光沿直線傳播時(shí)的幾何陰影的邊界。

光的衍射現(xiàn)象的另一個(gè)發(fā)現(xiàn)者胡克曾在他所著的《顯微術(shù)》中記錄了他所觀察到的光遇障礙物向幾何陰影中衍射的現(xiàn)象。牛頓也曾重復(fù)過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)，他觀察屏幕的邊緣以及楔的衍射，得出的結(jié)論仍然與當(dāng)時(shí)處于主流的光粒子說(shuō)有關(guān)，并未對(duì)光的衍射與光的波動(dòng)性起到促進(jìn)作用以及有力的影響。

二、建立光的衍射理論

惠更斯—菲涅耳原理是物理學(xué)中一項(xiàng)傳播理論，是荷蘭著名物理學(xué)家Christiaan Huygens提出的，通過(guò)波動(dòng)理論對(duì)光傳播呈現(xiàn)的規(guī)律進(jìn)行解釋。目前，該種理論為衍射現(xiàn)象進(jìn)行研究的基礎(chǔ)理論，是對(duì)光波傳播中問(wèn)題開(kāi)展解決的一項(xiàng)近似手段，被研究界認(rèn)可并在實(shí)際問(wèn)題中得以應(yīng)用。此種理論內(nèi)容可以歸納為：在行進(jìn)狀態(tài)中波陣面上任何一點(diǎn)均可以認(rèn)為是全新次波源，波陣面可以讓其任何一點(diǎn)發(fā)出次波，眾多次波就能夠形成包絡(luò)面，該包絡(luò)面就是原有的波面在固定時(shí)間中傳播形成的全新波面。

三、光的衍射實(shí)驗(yàn)分析

光的衍射實(shí)驗(yàn)包括了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是單縫衍射、圓孔衍射和光柵衍射，其中單縫夫瑯和費(fèi)衍射和圓孔衍射的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象相似。

實(shí)驗(yàn)原理：

（1）形成衍射的基礎(chǔ)條件為：光線向一些小巧的物體（如針孔等）照射時(shí)候，可以十分清晰的觀察到其衍射。該種現(xiàn)象因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)十分短，一般的物體都比其體積大，能夠讓衍射現(xiàn)象進(jìn)行直觀的展示。

（2）光的衍射現(xiàn)象的觀察和其特點(diǎn)：在實(shí)驗(yàn)室中觀察衍射現(xiàn)象主要是用氦氣激光器進(jìn)行，讓其成為光源，該種實(shí)驗(yàn)的效果比較好。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以看出衍射現(xiàn)象展現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn)：第一點(diǎn)，如果光束在實(shí)驗(yàn)中衍射屏面積中某方位出現(xiàn)限制現(xiàn)象，就會(huì)對(duì)遠(yuǎn)處的屏幕衍射強(qiáng)度造成一些影響，具體表現(xiàn)為衍射光線沿著該種方向進(jìn)行擴(kuò)展。第二點(diǎn)，如果光孔的線度更小，則光束受到的限制就會(huì)更加嚴(yán)重，最終的衍射范圍也更加明顯和彌漫。

（3）從研究衍射的角度看，可將衍射現(xiàn)象分為兩類：

菲涅耳衍射（光源和屏幕或兩者之一距離障礙物有限遠(yuǎn)）、夫瑯和費(fèi)衍射（光源和屏幕都距離障礙物無(wú)限遠(yuǎn)）。

（4）菲涅耳衍射實(shí)驗(yàn)： ①圓孔衍射，將一束光投射在一個(gè)小圓孔上，在距離小孔12米處放置一塊毛玻璃屏，則在屏上可以觀察到小圓孔的衍射花樣。②圓屏衍射，當(dāng)一點(diǎn)光源發(fā)出的光通過(guò)圓屏邊緣時(shí)，在投射屏上也將發(fā)生衍射現(xiàn)象。

（5）夫瑯和費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)：①單縫衍射，夫瑯和費(fèi)在1821——1822年間研究了觀察點(diǎn)與光源距離障礙物都是無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)的現(xiàn)象。在這種情況下計(jì)算衍射花樣中光強(qiáng)的分布時(shí)數(shù)學(xué)運(yùn)算就比較簡(jiǎn)單。②圓孔衍射，在觀察單縫衍射的裝置中，用一個(gè)小圓孔來(lái)代替狹縫，設(shè)仍然以激光為光源，那么在透鏡的焦平面上可得圓孔衍射花樣。

兩者的光強(qiáng)分布的計(jì)算與衍射花樣的特點(diǎn)都可以由惠更斯——菲涅耳原理計(jì)算與分析得出。

（6）實(shí)驗(yàn)中的一些問(wèn)題：①用單色光開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的照射效果更好一些，建議在日后實(shí)驗(yàn)中采用該種光束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如果實(shí)驗(yàn)采用膚色光，實(shí)驗(yàn)看到的衍射圖案就會(huì)是彩色的，導(dǎo)致衍射現(xiàn)象不容易進(jìn)行清晰化的觀察。②縫和圓孔的寬度和直徑越小，衍射現(xiàn)象越明顯，反之，由于光具有波粒二象性，光可以直接穿過(guò)去，而不產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。

四、光在領(lǐng)域中衍射應(yīng)用

光呈現(xiàn)的衍射原理對(duì)后人有著積極作用和影響，可以利用光譜對(duì)元素進(jìn)行分辨，提升人們對(duì)元素的認(rèn)知。人們比較熟知的光譜分析儀就是利用光波的長(zhǎng)度進(jìn)行元素的分析，同時(shí)也能對(duì)化合物開(kāi)展分析，提升領(lǐng)域的發(fā)展和認(rèn)知。借助光譜能夠?qū)@些具有特定性的波長(zhǎng)和光波的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)化學(xué)元素的構(gòu)成以及含量的分析。就目前社會(huì)的應(yīng)用講，該項(xiàng)技術(shù)主要在考古學(xué)以及天文學(xué)等領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，提升這些領(lǐng)域的發(fā)展效果。

衍射也可以對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行精密的計(jì)量，通過(guò)開(kāi)展精細(xì)化的數(shù)據(jù)測(cè)量，可以對(duì)工件表面實(shí)際情況進(jìn)行觀察，分析其和設(shè)計(jì)原始要求中呈現(xiàn)的較為微小的差異，以此保障設(shè)計(jì)的質(zhì)量和精細(xì)要求。除了在以上幾個(gè)層面的應(yīng)用，光的衍射在生活中其實(shí)也是層出不窮的。當(dāng)我們凝視燈光或是在夜晚散步時(shí)仰望月亮?xí)r，都可以看到放射形的光芒，而且在我們將瞳孔瞇小時(shí)，這種光線的輻射似乎會(huì)更明顯。

同時(shí)，在現(xiàn)代的科技中，光的衍射應(yīng)用仍十分重要：無(wú)論是用于光譜分析，還是用于結(jié)構(gòu)分析，可以對(duì)人們?nèi)庋鄄荒懿榭吹木?xì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)放大作用。同時(shí)，可以通過(guò)圖樣對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化的分析和探究，例如人們提到的衍射成像和X射線，能夠?qū)鈱W(xué)開(kāi)展信息的分析和處理。也就表明，在光成像此種體統(tǒng)中，通過(guò)兩次分析衍射成像的內(nèi)涵，能夠發(fā)展為濾波技術(shù)和光學(xué)處理，提升眾多領(lǐng)域的創(chuàng)新效果。光瞳衍射可以對(duì)儀器中的分辨本領(lǐng)進(jìn)行導(dǎo)出，提升對(duì)物體的分辨效果和精準(zhǔn)性，同時(shí)也是波面再現(xiàn)的一項(xiàng)體現(xiàn)，也是全息原理的一項(xiàng)體現(xiàn)。這些現(xiàn)象和技術(shù)都在我們的日常生活和科學(xué)生活中有著舉足輕重的地位，改善著眾多領(lǐng)域的發(fā)展效果和態(tài)勢(shì)。

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