华中科技大学工程光学第四章光的衍射(2)详解
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Diffraction describes a specialized case of light scattering in which an object with regularly repeating features (such as a diffraction grating) produces an orderly diffraction of light in a diffraction pattern.
二者常常同时存在。 例如，不是极细缝情况下的双缝干涉，就应该 既考虑双缝的干涉，又考虑每个缝的衍射。
11
衍射屏
例1.
S
*
a
观察屏
例2. 衍射屏
L
S *
观察屏 L
不但光线拐弯, 而且在屏上出现 明暗相间的条纹。
透过手指缝看日光灯， 也能看到衍射条纹。
12
屏幕
阴 影
屏幕
缝较大时，光是直线传播的
缝很小时，衍射现象明显 13
L 和 D中至少有一个是有限值。
（2）夫琅禾费（Fraunhofer）衍射 — 远场衍射
L 和 D皆为无限大（也可用透镜实现）。
这种分类上从理论计算上考虑的。菲涅尔衍射是 普遍，而夫朗和费衍射仅是它的一个特例。
由于夫朗和费衍射的计算要简单的多，因此把它 单归一类
“远”和“近”与衍射孔径D及波长的相对大小 有关：
D
（2）波面的传播方向。
S
D' K
光波通过圆孔的惠更斯作图法
20
2、惠更斯－菲涅耳原理
惠更斯原理（1678年）认为：波前上每一个点 都可看做是发出球面子波的波源。 –不能说明在不同方向上波的强度分布
菲涅尔1818年将惠更斯的子波概念修正为：
1)波传到的任意点都是子波的波源；
P
2)各子波在空间各点进行相干叠加。
波所到达的任意点都可看作是能发出球
面子波的波源，空间中任意点P的振动
S
是包围波源的任意闭合曲面上发出的子
波在该点的相干叠加。
21
波阵面外任一点光振动应该是波面上所有 子波相干叠加的结果。
Z
Q
R
r
P
S
Z'
图1 点光源S对P点的作用
22
衍射问题变成了一个无限多光束的干涉问题。
处理问题的关键：计算波源到各面元之间及各
8
In the real world most objects are very complex in shape and should be considered to be composed of many individual diffraction features that can collectively produce a random scattering of light.
根据光源、衍射屏和观察屏三者之间的位置确定
（1）夫琅和费衍射(Fraunhofer diffraction)： 距离衍射屏远处的衍射。
（2）菲涅耳衍射（ Fresnel diffraction ）： 距离衍射屏近处的衍射。
K S
17
衍射的分类：
光源 S*
障碍物
观察屏
L
D
B
P
（1）菲涅耳（Fresnel）衍射 — 近场衍射
4
5
6
Diffraction pattern of an icosahedral quasicrystal
7
Related Concept
The terms diffraction and scattering are often used interchangeably and are considered to be almost synonymous.
1
2
3
Diffraction
• The phenomenon that the light waves tend to bend around and become spread out when they pass near a barrier is called diffraction. • Diffraction of light occurs when a light wave passes by a corner or through an opening or slit that is physically the approximate size of, or even smaller than that light's wavelength.
第四章 光的衍射（Diffraction）
光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播
方向会偏离直线传播，弯入到障碍物 的几何阴影中，并呈现光强的不均匀 分布的现象。
When light passes through a narrow slit, it spreads out more than what could be accounted for by geometric construction. This is an example of diffraction. Diffraction can be defined as any departure from the predictions of geometric optics.
9
衍射实验(Diffraction experiment)：
Barrier
Screen K
S
Light source
光的衍射是光的波动性的主要标志之一。
衍射与干涉的区别？
10
干涉和衍射的联系与区别：
从本质上讲干涉和wk.baidu.com射都是波的相干叠加， 没有区别。
通常：干涉指的是有限多的子波的相干叠加， 衍射指的是无限多的子波的相干叠加，
14
12
刀片边缘的衍射
圆屏衍射
（泊松点） 15
不同的观察区域，有不同的观察结果。
平行单色光 照到一圆孔 上，在孔板 后不同处的 面上观察光 的不同特点
P1
P2
P3
直线传播
近场衍射区
P4 远场衍射区
16
衍射现象的分类 (Classification of light diffraction)：
–对一定的，若D越小，衍射现象越明显。
–对一定的D，若越小，衍射现象越不明显。
观察衍射现象一般都是在远处，且使 ～D （衍射现象明显）。
–当/D→0时，波动光学 几何光学
19
§4-1.光波的标量衍射理论
一、惠更斯－菲涅耳原理
1、惠更斯原理 (Huygens’ principle)： （1）波阵面的形成，
二者常常同时存在。 例如，不是极细缝情况下的双缝干涉，就应该 既考虑双缝的干涉，又考虑每个缝的衍射。
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衍射屏
例1.
S
*
a
观察屏
例2. 衍射屏
L
S *
观察屏 L
不但光线拐弯, 而且在屏上出现 明暗相间的条纹。
透过手指缝看日光灯， 也能看到衍射条纹。
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屏幕
阴 影
屏幕
缝较大时，光是直线传播的
缝很小时，衍射现象明显 13
L 和 D中至少有一个是有限值。
（2）夫琅禾费（Fraunhofer）衍射 — 远场衍射
L 和 D皆为无限大（也可用透镜实现）。
这种分类上从理论计算上考虑的。菲涅尔衍射是 普遍，而夫朗和费衍射仅是它的一个特例。
由于夫朗和费衍射的计算要简单的多，因此把它 单归一类
“远”和“近”与衍射孔径D及波长的相对大小 有关：
D
（2）波面的传播方向。
S
D' K
光波通过圆孔的惠更斯作图法
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2、惠更斯－菲涅耳原理
惠更斯原理（1678年）认为：波前上每一个点 都可看做是发出球面子波的波源。 –不能说明在不同方向上波的强度分布
菲涅尔1818年将惠更斯的子波概念修正为：
1)波传到的任意点都是子波的波源；
P
2)各子波在空间各点进行相干叠加。
波所到达的任意点都可看作是能发出球
面子波的波源，空间中任意点P的振动
S
是包围波源的任意闭合曲面上发出的子
波在该点的相干叠加。
21
波阵面外任一点光振动应该是波面上所有 子波相干叠加的结果。
Z
Q
R
r
P
S
Z'
图1 点光源S对P点的作用
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衍射问题变成了一个无限多光束的干涉问题。
处理问题的关键：计算波源到各面元之间及各
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In the real world most objects are very complex in shape and should be considered to be composed of many individual diffraction features that can collectively produce a random scattering of light.
根据光源、衍射屏和观察屏三者之间的位置确定
（1）夫琅和费衍射(Fraunhofer diffraction)： 距离衍射屏远处的衍射。
（2）菲涅耳衍射（ Fresnel diffraction ）： 距离衍射屏近处的衍射。
K S
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衍射的分类：
光源 S*
障碍物
观察屏
L
D
B
P
（1）菲涅耳（Fresnel）衍射 — 近场衍射
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Diffraction pattern of an icosahedral quasicrystal
7
Related Concept
The terms diffraction and scattering are often used interchangeably and are considered to be almost synonymous.
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3
Diffraction
• The phenomenon that the light waves tend to bend around and become spread out when they pass near a barrier is called diffraction. • Diffraction of light occurs when a light wave passes by a corner or through an opening or slit that is physically the approximate size of, or even smaller than that light's wavelength.
第四章 光的衍射（Diffraction）
光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播
方向会偏离直线传播，弯入到障碍物 的几何阴影中，并呈现光强的不均匀 分布的现象。
When light passes through a narrow slit, it spreads out more than what could be accounted for by geometric construction. This is an example of diffraction. Diffraction can be defined as any departure from the predictions of geometric optics.
9
衍射实验(Diffraction experiment)：
Barrier
Screen K
S
Light source
光的衍射是光的波动性的主要标志之一。
衍射与干涉的区别？
10
干涉和衍射的联系与区别：
从本质上讲干涉和wk.baidu.com射都是波的相干叠加， 没有区别。
通常：干涉指的是有限多的子波的相干叠加， 衍射指的是无限多的子波的相干叠加，
14
12
刀片边缘的衍射
圆屏衍射
（泊松点） 15
不同的观察区域，有不同的观察结果。
平行单色光 照到一圆孔 上，在孔板 后不同处的 面上观察光 的不同特点
P1
P2
P3
直线传播
近场衍射区
P4 远场衍射区
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衍射现象的分类 (Classification of light diffraction)：
–对一定的，若D越小，衍射现象越明显。
–对一定的D，若越小，衍射现象越不明显。
观察衍射现象一般都是在远处，且使 ～D （衍射现象明显）。
–当/D→0时，波动光学 几何光学
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§4-1.光波的标量衍射理论
一、惠更斯－菲涅耳原理
1、惠更斯原理 (Huygens’ principle)： （1）波阵面的形成，