光的干涉和衍射的区别与联系

光的干涉和衍射的区别与联系

光学是物理学中较古老的一门应用性较强的基础性学科,其中光的干涉与衍射现象是光学课程最主要的内容之一,也是现代光学的基础。如傅立叶光学,全息学,光传输和光波导等理论基础。

干涉和衍射现象是一切波动所特有的,也是用于判断某种物质是否有波动性的判据。从理论上分析,干涉和衍射都是光波发生相干叠加的结果。光波叠加的原理表述为对于真空中传播的光或在媒质中传播的不太强的光,当几列光波相遇时,其合成光波的光矢量E等于各分光波的光矢量E1,E2,E3,······的矢量和,即

E=E1+E2+E3······=∑Ei

而在相遇区外各列光波仍保持各自原有的特性频率波长振动方向等和传播方向继续传播就好像在各自的路径上没有遇到其他的波一样。

在我们的日常生活中就有不少的干涉现象，例如，水面上的油膜在太阳光的照射下呈现出五彩缤纷的美丽图像。儿童吹起的肥皂泡在阳光下也显出五光十色的彩纹，这些都是光在薄膜上干涉所产生的图样。

光的干涉现象的广义定义为“两束(或多束)频率相同振动偏振方向一致振动位相差恒定的光在一定的空间

范围内叠加其光强度分布与原来两束或多束光的强度之和不同的现象。”为了突出“相干叠加”与“非相干叠加”在空间强度分布的明显的差别又有了狭义的定义“满足一定条件的两束或多束光在空间叠加后其合振动有些地方固定的加强有些地方固定的减弱强度在空间在有一种周期性的变化的稳定分布”。

根据光源分成两束时所采用的方法不同干涉分为两种：(1) 由波阵面造成的干涉将点光源发出的波阵面分割为两个或两个以上的部分

使它们通过不同的光路后交叠起来。

(2) 由振幅分割造成的干涉用半透膜等波阵面上同一点处的振幅分成两个或更多个部分然后使这些波相遇而叠加起来。

让我们在日常生活中来观察光的衍射现象伸出你的手把两个指头并拢靠近眼睛通过指缝观看电灯灯丝使缝与灯丝平行可以看到灯丝两旁有明暗相间的并带有彩色的平行条纹这就是光通过指缝产生的衍射现象。

光的直线传播和衍射现象是有内在联系的衍射现象是光的波动特性的最基本的表现光的直线传播不过是光的衍射现象的极限而已。惠更斯菲涅尔原理指出。在同一波面上所有各点所发次波在某一定点的叠加当波面完全不遮蔽时叠加的结果仍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达到观察点叠加时缺少了这些次波的叠加便发现有明暗条纹的衍射现象。

“光在传播过程中遇到障碍物时产生的偏离直线传播的现象称为光的衍射”。从广义上讲光在传播过程中遇到障碍物时产生的偏离几何光学规律传播从二光强重新分布的现象都称为衍射。衍射的英文单词”diffaraction”,意思为”绕射绕弯”。这样虽然不至于让人产生误解但有其片面性。当然,光波遇到障碍物会有”绕射”现象但对某些障碍物衍射光还会有反射光波和投射光波。”绕射”是衍射现象常见的,必然的表现的形式,却并非全部的表现形式。

干涉和衍射的共同点是它们都是波相干叠加所引起的结果。对于特定的点,则是次波振动叠加的结果。

对于干涉和衍射的光栅来讲,它们有明显的区别

当缝宽a<<λ时每个小缝相当与一个线光源其发出次波的振幅可以认为是均匀的所以每个次波可以认为都是按几何光学模型传播也就是有限个若干束之间的相干叠加这类问题就是纯干涉效应。纯干涉讨论的是若干个波场的相干跌跤爱即仪器将光波分割成有限几束或彼此离散的无限多束光其中每束光可近似按几何光学的规律来描述

或参与干涉的各束光本身没有考虑衍射效应的必要。这样的仪器叫干涉装置。

当缝宽a不是很小时即a可以与波长λ相比较时从每一小缝发出的波明显地不是等振幅的它可以看成连续的无限多个波的相干叠加即单缝衍射现象。这种无限多个次波叠加是一种纯衍射效应。纯衍射他论的是一个波场本身的传播行为是连续分布在波面上的无限多个次波源所发出的次波的相干叠加这些次波不服从几何光学的传播规律。但干涉和衍射有密切的联系干涉和衍射决不是两个对立的效应它们可以看作一个统一的现象。干涉是优先的若干各分立波的相干叠加在数学上表现为相加问题衍射是连续的无限多个次波的相干叠加在数学形式上表现为一个积分的问题。从现象上看干涉图样是明暗相间的光强分布上间距较君宇衍射图样是条纹的光强分布相对比较集中。所以可以说衍射是复杂的干涉。

总之干涉和衍射在本质上是统一的都是相干波的叠加但在形成条件分布规律以及数学处理方法上略有不同而又是紧密关联的同一类现象。

对于干涉和衍射的光栅来讲,它们有明显的区别

当缝宽a<<λ时每个小缝相当与一个线光源其发出次波的振幅可以认为是均匀的所以每个次波可以认为都是按几何光学模型传播也就是有限个若干束之间的相干叠加这

类问题就是纯干涉效应。纯干涉讨论的是若干个波场的相干跌跤爱即仪器将光波分割成有限几束或彼此离散的无限多束光其中每束光可近似按几何光学的规律来描述或参与干涉的各束光本身没有考虑衍射效应的必要。这样的仪器叫干涉装置。

当缝宽a不是很小时即a可以与波长λ相比较时从每一小缝发出的波明显地不是等振幅的它可以看成连续的无限多个波的相干叠加即单缝衍射现象。这种无限多个次波叠加是一种纯衍射效应。纯衍射他论的是一个波场本身的传播行为是连续分布在波面上的无限多个次波源所发出的次波的相干叠加这些次波不服从几何光学的传播规律。

但干涉和衍射有密切的联系干涉和衍射决不是两个对立的效应它们可以看作一个统一的现象。干涉是优先的若干各分立波的相干叠加在数学上表现为相加问题衍射是连续的无限多个次波的相干叠加在数学形式上表现为一个积分的问题。从现象上看干涉图样是明暗相间的光强分布上间距较君宇衍射图样是条纹的光强分布相对比较集中。所以可以说衍射是复杂的干涉。

总之干涉和衍射在本质上是统一的都是相干波的叠加但在形成条件分布规律以及数学处理方法上略有不同而又是紧密关联的同一类现象。

参考文献

[1]王祖源张庆福。大学物理。机械工业出版社。

[2]依斯坎德尔·吾斯曼。关于光的干涉和衍射现象的研究。浙江教育学报。

[3]顾曾逵。波动光学教学的几个问题。上海第二工业大学学报

[4]郭传芹高云。光的干涉和衍射现象的辨证关系。菏泽师专学报。