光的衍射发展史

光的衍射发展史

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日期：2012年10月13日

光的衍射发展史

摘要：凡是不能用反射或折射予以解释的光偏离直线传播的现象称为光的衍射。通常我们生活中观察到的衍射现象是由不透明的障碍物引起的，而当光通过光学厚度不等的完全透明的三维障碍物(如带有空气泡的玻片、透明的生物标本等)时，在各处的相位延迟不一样，也会发生衍射现象。总之当光波在传播路径中遇到障碍物时，不管障碍物是透明的或不透明的，只要波前受阻区域上得振幅和相位或二者之一的分布发生了改变，均会发生衍射现象。

关键词：光的衍射、菲涅尔衍射、惠更斯原理、惠更斯-菲涅尔原理、菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式。

背景：光在传播的过程中能绕过障碍物边缘，偏离直线传播，而进入几何阴影，并出现光强分布不均匀的现象。光波的波长比声波的波长短很多，这也是为什么人们最先意识到声波的衍射而往往把光波的衍射当成直线的传播。光的衍射是光的波动性的重要标志之一，所以从衍射的发现到衍射的应用经历了几百年的时间，期间花费许多科学家的心血，他们发挥了惊人的智慧，为光学的发展做出了巨大贡献。

论述：

一、光的衍射现象的发现

最早发现衍射现象的是意大利物理学家格里马迪,在他1665年出版的书中记载了光线通过棍棒后的强弱分布,发现光的分布没有截然的边界,不能用当时通行的光的微粒说来解释。此外，光的衍射现象的另一个发现者是胡克，在他所著的《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，他观察了屏幕的边缘的衍射，从中得出结论：光粒子能够同物体的粒子相互作用，且在它们通过这些物体边缘时发生倾斜。

二、衍射现象的解释与研究过程

(1)在1960年荷兰物理学家惠更斯发表的《论光》一书中提出波面上每一点都可看作一个次级扰动中心，它产生球面次波，这些次波的包络面就是次一时刻的波面。如图(a)和(b)，图中v表示波速，S1为t时刻的波面，S2为按照惠更斯原理作出的t+γ时刻的波面。根据惠更斯原理可以由前一时刻波面的位置求出次一时刻波面的位置，在各向同性介质中波面的法线就是波的传播方向，所以惠更斯原理可以解决波面未受阻情况下均匀波的传播方向问题。但惠更斯原理有很大的局限性，用它不能说明衍射现象。

图(a) 图(b)

(2)在惠更斯原理提出后的一百多年的时间里，波动说并未取得明显的进展，直到1801年杨氏作了著名的双缝干涉实验并用波动理论予以解释，才为波动说奠定了坚实的基础。1818年菲涅耳在惠更斯原理的基础上，补充了描述次波的基本特征－相位和振幅的定量表示式，并增加了“次波相干叠加”的原理，从而发展成为惠更斯－菲涅耳原理。这个原理表述为：点光源Ｌ在空间某点Ｐ所产生的扰动可以看作是波前S上连续分布的假象的次波源在该点所产生的相干振动的叠加。如图(c)。

图(c)

但是惠更斯-菲涅尔原理只可以计算某些简单形状开孔的衍射场，并不能解释倒退波现象。

(3)1882年基尔霍夫利用数学中的格林公式和一些边界条件推到出了菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式,为惠更斯-菲涅尔原理奠定了理论基础，解决了惠更斯-菲涅尔原理无理论支持的问题,进一步完善了光的衍射现象的存在性及规律性。三、衍射的实际应用

光的衍射决定光学仪器的分辨本领。气体或液体中的大量悬浮粒子对光的散射，衍射也起重要的作用。在现代光学乃至现代物理学和科学技术中，光的衍射得到了越来越广泛的应用。例如：衍射光栅光谱仪用于光谱分析；衍射图样对精细结构有一种相当敏感的“放大”作用，故而利用图样分析结构；全息术原理等。

结语：光的衍射现象从发现至今具有重要意义，不仅在科学研究方面，还为人类日常生活带来了实惠。也许到了技术更加成熟的那一天，我们能利用光的衍射来研制医疗器材、制造生活用品，帮助我们更加适应这个生活环境，也更加了解科学背后的秘密。

参考文献：

[1] 郭永康.光学[M].北京:高等教育出版社,2004:114-118.

[2]赵凯华,钟锡华. 光学[M].北京:北京大学出版社,2008:182-194.