《光的衍射和偏振》 知识清单
一、光的衍射
（一）衍射现象
当光通过一个狭缝或者障碍物的边缘时，光不再沿着直线传播，而是在障碍物的后面形成明暗相间的条纹，这种现象就是光的衍射。
（二）衍射的条件
衍射现象发生的条件是障碍物或狭缝的尺寸与光的波长相当或者比光的波长小。
（三）单缝衍射
1、 特点
（1）中央条纹最亮、最宽。
（2）两侧条纹亮度逐渐降低，宽度逐渐减小。
（3）条纹间距不等，中央条纹两侧的相邻条纹间距逐渐减小。
2、 光强分布
中央光强最大，向两侧光强逐渐减小。
（四）圆孔衍射
1、 特点 （1）中央是一个大的亮斑，称为艾里斑。
（2）周围是明暗相间的同心圆环。
2、 艾里斑
艾里斑的大小与圆孔的直径和光的波长有关。圆孔直径越小，光的波长越长，艾里斑越大。
（五）衍射光栅
1、 结构
由大量等宽等间距的平行狭缝组成。
2、 衍射条纹
形成明锐、细窄的条纹，条纹间距均匀。
（六）衍射的应用
1、 用于测量微小物体的尺寸，如利用 X 射线衍射测量晶体结构。
2、 在光学仪器中，通过控制衍射来提高分辨率。
二、光的偏振
（一）偏振现象
光的振动方向对于传播方向的不对称性叫做光的偏振。
（二）自然光和偏振光
1、 自然光 在垂直于光传播方向的平面内，光矢量沿各个方向振动的机会均等，振幅也相等，这样的光称为自然光。
2、 偏振光
光矢量在某一特定方向上振动占优势的光称为偏振光。
（三）偏振片
一种能够透过某一方向振动的光，而吸收与其垂直方向振动的光的器件。
（四）偏振光的产生
1、 反射和折射产生偏振光
当自然光以一定角度入射到介质表面时，反射光和折射光都是部分偏振光。
2、 偏振片产生偏振光
通过偏振片可以获得偏振光。
（五）偏振光的检验
可以使用另一个偏振片来检验光是否为偏振光。
（六）光的偏振的应用
1、 在摄影中，用于消除反光，使画面更清晰。
2、 在液晶显示技术中，利用偏振光来控制图像的显示。 三、光的衍射和偏振的联系
《光的衍射和偏振》 知识清单
一、光的衍射
光的衍射是指光在传播过程中遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播路径而进入几何阴影区域，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象。
1、 衍射的条件
当障碍物或小孔的尺寸与光的波长相当或者比光的波长小时，衍射现象就会比较明显。
2、 单缝衍射
当光通过单缝时，在屏幕上会形成明暗相间的条纹。中央条纹最亮最宽，两侧条纹亮度逐渐减弱且间距逐渐增大。其光强分布可以用菲涅尔半波带法来解释。
3、 圆孔衍射
光通过圆孔时，在屏幕上会形成一个明暗相间的圆环，中心为亮斑，称为艾里斑。艾里斑的大小与圆孔的直径和光的波长有关。
4、 衍射光栅
衍射光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学元件。通过衍射光栅，光会形成清晰的明条纹，其条纹间距与光栅常数和光的波长有关。 5、 衍射的应用
衍射在很多领域都有重要应用，例如在光学仪器中用于提高分辨率，在 X 射线衍射中用于分析晶体结构等。
二、光的偏振
光的偏振是指光波电矢量振动的方向对于传播方向的不对称性。
1、 偏振光的类型
（1）线偏振光：光矢量只在一个固定的方向上振动。
（2）部分偏振光：光矢量在某一方向上的振动较强，而在与之垂直的方向上的振动较弱。
（3）圆偏振光和椭圆偏振光：光矢量的端点在垂直于光传播方向的平面内描绘出圆形或椭圆形轨迹。
2、 产生偏振光的方法
（1）反射和折射：当自然光以一定角度入射到介质表面时，反射光和折射光会成为部分偏振光。当入射角满足特定条件时，反射光可以成为完全偏振光。
（2）偏振片：通过特殊材料制成的偏振片，只允许某一方向的光振动通过，从而得到偏振光。
3、 马吕斯定律 如果一束线偏振光的光强为 I₀，通过一个偏振化方向与光的振动方向夹角为θ的偏振片后，其光强 I 为 I ＝ I₀cos²θ。
4、 偏振的应用
（1）在摄影中用于消除反光，提高画面的对比度和清晰度。
（2）在立体电影中，通过给观众佩戴偏振眼镜，使左右眼分别看到不同偏振方向的图像，从而产生立体感。
教学要求
了解菲涅耳衍射、夫琅和费衍射、惠更斯－菲涅耳原理；理解光的衍射现象；单缝的夫琅和费衍射；圆孔的夫琅和费衍射、瑞利准则、分辨律；理解光学仪器的分辨本领。
15.1光的衍射现象 惠更斯——菲涅耳原理
15.1.1光的衍射现象及分类
在讨论第六章时就已知道：孔隙（或障碍物）的线度与波长的比值直接影响着衍射现象，当孔隙（或障碍物）的线度与波长的数量级接近时，才能观察到明显的衍射现象。对于光波，由于波长远小于一般孔隙（或障碍物）的线度，所以光的衍射现象通常不易观察到。而光的直线传播却给人们留下了深刻的印象。
图15-1 光的衍射现象实验
在实验室中，采用高亮度的激光或是普通的强点光源，同时屏幕的面积也足够大，则可以将光的衍射现象演示出来。如图15-1（a）所示，E为屏幕，K是一个可调节的狭缝，S为一单色点光源。实验发现，当E，K，S三者位置固定的情况下，光通过宽缝时，是沿直线传播的，如图(a)所示。若将缝的宽度减小到约104m及更小时，缝后几何阴影区的光屏上将出现衍射条纹，如图(b)所示，光斑的亮度也由原来的均匀分布变成一系列的明暗条纹（单色光源）或彩色条纹（白光光源），条纹的边缘也失去了明显的界限，变得模糊不清，这就是光的衍射现象。
衍射系统是由光源、衍射屏和接收屏组成，通常是根据三者相对位置的大小，把衍射现KEP图 15-3接受屏衍射物 光源
K入射光衍射光图 15-4
1L2LKEP图 15-5
(a) (b) (c)
图15－2菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射 接收屏 KES1LKE2LK象分为两类。一类是光源、接收屏（或两者之一）与衍射物之间的距离有限远。这种衍射叫做菲涅耳衍射（或近场衍射），如图15-2（a）所示。
夫琅禾费圆孔衍射场是一种具有特殊特征的电磁场，由一个圆孔和一个无限远处的电荷所构成。这种电磁场在理论研究和应用中具有重要意义。
夫琅禾费圆孔衍射场的基本特征有以下几点：
1、 圆孔的电荷分布是稳定的，不会发生变化。因此，夫琅禾费圆孔衍射场的电场强度也是稳定的。
2、 圆孔的电荷分布呈现出螺旋状，呈现出偏振特征。因此，夫琅禾费圆孔衍射场的磁场强度也呈现出偏振特征。
3、 夫琅禾费圆孔衍射场的电场强度随着距离的增加而减弱。具体来说，电场强度与距离的关系呈现出 $1/r$ 的规律。
4、 夫琅禾费圆孔衍射场的磁场强度随着距离的增加而减弱。具体来说，磁场强度与距离的关系呈现出 $1/r^2$ 的规律。
总的来说，夫琅禾费圆孔衍射场是一种具有特殊特征的电磁场，它的电场强度和磁场强度均呈现出偏振特征，并且随着距离的增加而减弱。这些特征使得夫琅禾费圆孔衍射场在理论研究和应用中具有重要意义。例如，夫琅禾费圆孔衍射场可以用来模拟太空中的电磁环境，也可以用来研究电磁波的传播和衍射等物理现象。
此外，夫琅禾费圆孔衍射场还有一些其他的特征，例如，它的电场和磁场是相互独立的，且电场和磁场的方向总是成 90 度的夹角。这些特征也为夫琅禾费圆孔衍射场的理论研究和应用提供了重要的依据。
