光的衍射

光的衍射十七世纪以后人们相继发现自然界中存在着与光的直线传播现象不完全符合的事实，这就是光的波动性的表现．其中最先发现的就是光的衍射现象，并进行了一些实验研究与理论探讨．一、光的衍射现象的发现意大利物理学家格里马第（1618—1663）首先观察到光的衍射现象，在他死后三年出版的书中描写了这个实验．他使光通过一个小孔引入暗室（点光源），在光路中放一直杆，发现在白色屏幕上的影子的宽度比假定光以直线传播所应有的宽度为大．他还发现在影子的边缘呈现2至3个彩色的条带，当光很强时，色带甚至会进入影子里面．格里马第又在一个不透明的板上挖一圆孔代替直杆，在屏幕上就呈现一亮斑，此亮斑的大小要比光线沿直线传播时稍大一些．当时格里马第把这种光线会绕过障碍物边缘的现象称为“衍射”，从此“衍射”一词正式进入了光学中．但当时格里马第未能正确解释这一现象，他知道他所观察到的这一衍射现象是与光的直线传播相矛盾的，也是与当时处在统治地位的光的微粒说相矛盾的．他认为，光是一种稀薄的、感觉不到的光流体．当光遇到障碍物时，就引起这一流体的波动．格里马第把光与水面波进行类比，他认为光的这种衍射现象正类似于将石子抛入水中时，在石子周围会引起水波一样，因为放在光的传播路程上的障碍物在光流体中引起了波动，这些波传播时将超出几何阴影的边界．光的衍射现象的另一个发现者是胡克，在他所著并被看作物理光学开始形成的标志之一的《显微术》一书中，记载了他观察到光向几何影中衍射的现象．牛顿也曾重复过类似的实验，他观察了毛发的影、屏幕的边缘和楔的衍射等，从中得出结论：光粒子能够同物体的粒相互作用，且在它们通过这些物体边缘时发生倾斜．但是这一切没有对光学发展起到应有的影响．二、光的衍射理论的建立1．定性解释光的衍射现象的理论——惠更斯原理．惠更斯在前人工作的基础上，对光的衍射理论作了进一步的发展．在讨论光的传播时，他类比了声音在空气中的传播．以光速的有限性论证了光是媒质的一部分依次地向其他部分传播的一种运动，且和声波、水波一样是球面波．他提出了以他的名字命名的描述光波在空间各点传播的原理——惠更斯原理．该原理可概述如下：光源发出的波面上每一点都可看作一个新的点光源，它们各自向前发出球面次波（或称子波），新的波面是与这些次波波面相切的包络面．如图所示：S为点光源，∑为t时刻自点光源S发出的波面，∑′为t＋τ时刻的波面，虚线所画的半球面为次波波面，半经为Vτ（V为光波在各向同性的均匀介质中的传播速度）．诸次波的包络面即为新波面∑′．惠更斯原理把光的传播归结为波面的传播，用它来定性解释光的衍射现象．如图所示，平面波传播时，为前方宽度为a的开孔所阻挡，故只允许平面波的一部分通过该孔．若按光的直线传播观点，开孔后面的观察屏上只有AB区域内才被平行光照亮，而在AB以外的阴影内应是全暗的．但按惠更斯原理，开孔平面上每一点都可向前发出球面次波，这些次波的包络面在中间是平面，而在边缘处却是弯曲的，即光波通过开孔的边缘不沿原光波方向行进，故波面传到观察屏上，必然使AB外的阴影区内光强不为零，这就是光的衍射现象．惠更斯原理只能对光的衍射现象作定性解释，而不能对观察屏上的衍射光强分布作定量分析．2．定量分析光的衍射现象的理论：惠更斯——菲涅耳原理．菲涅耳在自己的研究工作中，把重点放在光的衍射上，为了克服惠更斯原理的局限性，他基于光的相干性，认为惠更斯原理中属于同一波面上的各个次波的位相完全相同，故这些次波传播到空间任一点都可以相干，他在惠更斯原理中包络面作图法同杨氏干涉原理相结合建立了自己的理论，这就是后人所称的著名的用来分析光的衍射现象的基本原理——惠更斯——菲涅耳原理．它的内容可这种简单叙述：光传播的波面上每点都可以看作为一个新的球面波的次波源，空间任意一点的光扰动是所有次波扰动传播到该点的相干迭加．根据惠更斯——菲涅耳原理，欲求波阵面S在空间某点P产生的振动，需要把波阵面S划分为无穷多个小面积元△S，如图所示：把每个△S看成发射次波的波源，从所有面元发射的次波将在P点相遇．一般说来，由各面元△S到P点的光程是不同的，从而在P点引起的振动，其振幅正比于△S，而反比于从△S 到P点的距离r，并且和r与△S的法线之间的夹角α有关，至于次波在P点所引起振动的位相与r有关．由此可见，应用惠更斯——菲涅耳原理去解决具体问题，实际上是个积分问题．在一般情况下其计算是比较复杂的．但是对于一些特定条件下的衍射，处理则可简化．这样，惠更斯——菲涅耳原理克服了惠更斯原理的不足，为定量分析和计算光的衍射光强分布提供了理论依据．三、光的衍射实验的典型分析1．菲涅耳衍射实验分析①圆孔衍射，将一束光（如激光）投射在一个小圆孔上（圆孔可用照相机物镜中的光阑）在距离孔1—2米处放置一块毛玻璃屏，则在屏上可以观察到小圆孔的衍射花样．其实验如图所示．②圆屏衍射．当一点光源发出的光通过圆屏边缘时在屏上也将发生衍射现象． 运用惠更斯——菲涅耳原理可分析出，不论圆屏的大小与位置怎样，圆屏几何影子的中心永远有光．如果圆屏足够小，只遮住中心带的一部分，则光看起来可完全绕过它，除了圆屏影子中心有亮点外没有其它影子．这个初看起来似乎是荒唐的结论，是泊松于1818年在巴黎科学院研究菲涅耳的论文时，把它当作菲涅耳论点谬误的证据提出来的．但阿拉果做了相应的实验，证实了菲涅耳的理论的正确性．③菲涅耳波带片．根据菲涅耳半波带的分析，可制作一种在任何情况下，合成振动的振幅均为各半波带在考察点所产生的振动振幅之和，这样做成的光学元件叫做菲涅耳波带片（简称波带片）．波带片的制法可先在绘图纸上画出半径正比于序数K 的平方根的一组同心圆，把相间的波带涂黑，然后用照像机拍摄在底片上，该底片即为波带片．另外还可通过光刻腐蚀工艺，获得高质量的波带片．波带片还可分为同心环带波带片、长条形波带片、方形波带片等．波带片可代替普通透镜，并具有许多优点．菲涅耳波带片给惠更斯——菲涅耳原理提供了令人信服的证据．2．夫琅和费衍射①单缝衍射．夫琅和费在1821年～1822年间研究了观察点和光源距障碍物都是无限远（平行光束）时的衍射现象．在这种情况下计算衍射花样中光强的分布时，数学运算就比较简单．所谓光源在无限远，实际上就是把光源置于第一个透镜的焦平面上，使之成为平行光束；所谓观察点在无限远，实际上是在第二个透镜的焦平面上观察衍射花样．在使用光学仪器的多数情况下，光束总是要通过透镜的，因而这种衍射现象经常会遇到，而且由于透镜的会聚，衍射花样的光强将比菲涅耳衍射花样的光强大大增加．夫琅和费单缝衍射的光强分布的计算与衍射花样的特点可由惠更斯——菲涅耳原理计算与分析得出．②圆孔衍射．如果在观察单缝衍射的装置中，用一小圆孔代替狭缝，设仍以激光为光源那么在透镜L2的焦平面上可得圆孔衍射花样．其光强分布及衍射花样四、光的衍射现象与光的直线传播的联系惠更斯——菲涅耳原理主要是措出了同一光波面上所有各点所发次波在某一给定观察点的迭加．从这里很容得出结论：当波面完全不遮蔽时，所有次波在任何观察点迭加的结果乃形成光的直线传播．如果波面的某些部分受到遮蔽，或者说波面不完整，以致这些部分所发次波不能到达观察点，迭加时缺少了这些部分次波的参加，便发生了有明暗条纹花样的衍射现象．至于衍射现象是否显著，则和障碍物的线度及观察的距离有关．总之不论是否直线传播，也不论有无显著的衍射花样出现，光的传播总是按惠更斯——菲涅耳原理的方式进行．光的直线传播只是衍射现象的极限表现．这样通过惠更斯——菲涅耳原理的理论解释，进一步揭示了光的直线传播与衍射现象的内在联系，使光的衍射理论得到了进一步的发展和完善．光的本质——波动说与微粒说的交锋十七世纪初，在天文学和解剖学等相关学科的推动下，并伴随着光学仪器的发明和制造，光学——这一曾经神秘的领域也被卓越的科学探秘者开拓出了一块醒目的空间。

光学中的光的衍射和衍射公式在光学中，光的衍射是指光通过一个具有孔径或者凹凸面的物体后，发生了偏离直线传播的现象。

衍射现象是由光的波动性质决定的，具有不可避免的作用。

本文将介绍光的衍射的基本原理和衍射公式。

一、光的衍射原理1. 光的波动性光既可以被视为一种粒子，也可以被视为一种波动。

当我们进行光学实验时，光的波动性更为明显。

光的波动性意味着光会呈现出波动的行为，比如传播过程中的干涉、衍射等。

2. 衍射现象当光通过物体的边缘或孔径时，会发生衍射现象。

光线遇到物体边缘后会发生弯曲，并向周围空间扩散。

这种弯曲和扩散现象就是光的衍射。

二、衍射公式1. 衍射公式的基本形式衍射公式是用来计算衍射现象的数学公式。

根据光的衍射理论，我们可以得出如下的衍射公式：dlambda = k * sin(theta),其中，dlambda表示衍射的波长差，k是衍射级数，theta是入射光线与衍射方向的夹角。

2. 衍射公式的应用衍射公式可以应用于各种不同的衍射情况中。

例如，当光通过一个狭缝时，我们可以利用衍射公式计算出狭缝衍射的波长差和衍射级数。

同样，当光通过一个光栅时，我们也可以应用衍射公式计算出光栅衍射的波长差和衍射级数。

3. 衍射级数衍射级数是衍射公式中的一个重要参数，用于描述衍射的级别。

衍射级数越高，衍射现象也越明显。

例如，一级衍射表示光线经过一次衍射后的结果，二级衍射表示光线经过两次衍射后的结果，以此类推。

三、光的衍射的影响因素1. 孔径大小孔径的大小对光的衍射有明显的影响。

当孔径较大时，衍射现象变得不明显；当孔径较小时，衍射现象变得非常明显。

2. 入射光的波长入射光的波长也是影响光的衍射的重要因素。

波长越短，衍射现象越明显；波长越长，衍射现象越不明显。

3. 衍射角度入射光线与衍射方向的夹角也会影响衍射现象的强弱。

当夹角较小时，衍射现象相对较弱；当夹角较大时，衍射现象相对较强。

四、光的衍射的应用1. 光栅衍射光栅衍射是利用光栅的衍射特性进行实验和应用的一种方法。

光的色散与衍射光是一种电磁波，在传播过程中会经历色散和衍射现象。

色散是指光在光密度不均匀介质中传播时，由于不同频率成分的光速不同，导致光的折射角度和色散光谱的现象。

而衍射是指光通过狭缝或物体边缘时，由于光的波动特性，发生弯曲和扩散的现象。

本文将详细介绍光的色散和衍射以及其应用。

一、光的色散光的色散是指光在不同介质中或同一介质中的不同频率光波传播时，由于介质的光密度不均匀性，导致不同频率光波的折射角度不同的现象。

光的色散可以分为正常色散和反常色散两种情况。

1. 正常色散正常色散是指光在光密度增大的介质中，折射角随着光频率增加而减小的现象。

这种现象主要出现在光通过玻璃、水等介质时。

在可见光谱中，蓝光的频率较高，所以在正常色散情况下，蓝光会比红光更容易被折射偏离原来的传播方向。

2. 反常色散反常色散是指光在光密度减小的介质中，折射角随着光频率增加而增加的现象。

这种现象主要出现在光通过玻璃棱镜等材料时。

在可见光谱中，红光的频率较低，所以在反常色散情况下，红光会比蓝光更容易被折射偏离原来的传播方向。

二、光的衍射光的衍射是指光波通过狭缝、边缘等物体时，由于光的波动特性，在光的传播方向上发生弯曲和扩散的现象。

光的衍射可以分为单缝衍射和双缝衍射。

1. 单缝衍射单缝衍射是指光波通过一个狭缝时，在狭缝边缘会发生弯曲和扩散的现象。

当狭缝的宽度接近光波波长的数量级时，衍射效应显著。

单缝衍射的实验可以通过在暗房中利用透光板和狭缝进行观察，并通过屏幕上出现的光斑来观察衍射现象。

单缝衍射的结果会出现一系列明暗相间的光斑，称为夫琅禾费衍射图样。

2. 双缝衍射双缝衍射是指光波通过两个狭缝时，在两个狭缝边缘会发生弯曲和扩散的现象。

双缝衍射实验通常使用的是晶格、狭缝或者光栅等。

在狭缝或光栅上，通过两个或多个狭缝等间距设置，观察光通过后在屏幕上出现的干涉条纹图案。

双缝衍射的结果是在中央为明纹，两侧为暗纹，形成一系列明暗相间、分布呈周期性的条纹。

光的衍射定律与衍射的现象衍射是光在遇到障碍物或通过狭缝时发生偏离直线传播路径的现象。

衍射现象在光学领域中具有重要的研究价值和应用意义。

本文将介绍光的衍射定律以及与之相关的衍射现象。

一、光的衍射定律光的衍射定律是描述光在通过狭缝或遇到障碍物时发生衍射现象的规律。

根据光的衍射定律，当光通过一个狭缝时，如果狭缝的宽度与光的波长相当或更小，光将会发生衍射现象。

根据光的衍射定律可得出以下结论：1. 衍射的角度正比于波长：当光通过狭缝时，发生衍射的角度与光的波长成正比。

波长越短，衍射角度也越小。

2. 衍射的角度反比于狭缝宽度：当光通过狭缝时，发生衍射的角度与狭缝的宽度成反比。

狭缝越窄，衍射角度也越大。

3. 衍射的强度与波长和狭缝宽度有关：光的衍射强度与波长和狭缝宽度有关。

当光的波长和狭缝宽度相等时，衍射强度最大。

二、衍射现象衍射现象广泛存在于自然界和人类日常生活中，其具体表现形式有：1. 单缝衍射：当光通过一个狭缝时，会在狭缝后方形成一系列交替明暗的条纹，即衍射条纹。

衍射条纹的中央最亮，两侧逐渐暗淡，呈现出明暗相间的现象。

2. 双缝干涉：当光通过两个相距较近的并列狭缝时，会产生干涉现象。

在干涉条纹中，交替出现的明暗条纹反映出光的波动性质。

3. 衍射光栅：衍射光栅是一种具有大量平行狭缝的装置，通过它可以产生衍射和干涉现象。

利用衍射光栅可以进行光谱分析、测量光的波长等。

4. 散斑现象：散斑现象是指光通过不规则介质界面或波前存在微小波动时形成的现象。

散斑图案具有随机性和无规则性，对于光的相位信息具有重要意义。

三、衍射的应用衍射现象不仅丰富了光学理论，也有着广泛的应用：1. 光学仪器：衍射光栅被广泛应用于光学仪器中，如光谱仪、测量仪器等。

2. 光学图像处理：基于衍射的原理，可以进行光学图像的处理和重建，如全息照相术和衍射光学显微镜等。

3. 衍射光栅制作：利用光的衍射特性，可以制造出具有特定光学性质的衍射光栅，用于电子显示器、激光器等领域。

光的衍射例子
1. 你看那CD 光盘的表面，五彩斑斓的，这就是光的衍射呀！当光照在光盘上，那一道道绚丽的色彩不正是光发生衍射形成的吗？哇，简直太神奇啦！
2. 哎呀，你们有没有观察过夜晚的灯光透过树叶的缝隙呀？那些丝丝缕缕的光影，不就是光的衍射的例子吗？就像给大地绣上了一幅特别的图案，好美呢！
3. 你们知道吗，有时候对着太阳眯起眼睛，会看到一些光晕，那也是光的衍射现象呢！光就像调皮的小精灵，通过那些小小的缝隙变出了奇妙的景象，真有意思！
4. 想想看，当光线穿过三棱镜后分散出七彩的光带，这多像光在进行一场华丽的表演啊！这就是光的衍射在向我们展示它的魅力呢，是不是很神奇呀？
5. 还有那单色光通过狭缝后形成明暗相间的条纹，也是光的衍射呀！就好像光在跟我们玩一个猜谜的游戏，让我们去探索它的秘密，真的超酷的！
6. 大家应该都见过水面上油膜的彩色吧？那可也是光的衍射的杰作呢！光在这里展现出了它五彩斑斓的一面，谁说不是一种让人惊叹的魔法呢！总之，生活中有好多光的衍射例子，让我们的世界变得更加奇妙和丰富多彩呀！。