浅谈光的衍射

袁鑫淼

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720160

摘要：光学是物理学最古老也是最基础的学科之一，从十七世纪人们相继从自然界中发现存在与光的直线传播现象不完全符合的事实，光的波动性便进入了人们的视野，最先开始的便是光的衍射现象，光的粒子性决定了光沿直线传播，光的波动性决定了光的干涉和衍射现象，人们对此进行了不少实验研究与理论探讨。

关键词：惠更斯原理；菲涅耳原理；惠更斯—菲涅耳原理；菲涅耳衍射实验分析；夫琅禾费衍射

一、光的衍射现象的发现

日常生活中水波的衍射、广播传输中的无线型电波是不限时间发生的，该种现象可以被人们进行察觉或是肉眼辨认。但是，一些光线呈现出衍射现象却不能让人们进行观察和辨认的，出现该种现象是基于光波长短各异导致的，短光波是人们可以用眼睛看到的，普通光源也是人们能够看见的。光的衍射现象是意大利物理学家格里马弟（16181663）首先发现的，但当时格里马弟并未正确解释这一现象，他知道他所观察到的这一现象是与光沿直线传播相矛盾的，也与当时主流的光粒子说相矛盾，他认为光是一种感觉不到的相当稀薄的流体，他认为这种光流体在遇到障碍物时会产生与水面相似的波纹，引起流体的波动。

格里马弟把光与水面类比，认为光在传播途中遇到障碍物就如同在水中投入石子一样，障碍物会引起光流体的波动形成波纹，这些波传播时会超出光沿直线传播时的几何阴影的边界。

光的衍射现象的另一个发现者胡克曾在他所著的《显微术》中记录了他所观察到的光遇障碍物向几何阴影中衍射的现象。牛顿也曾重复过类似的实验，他观察屏幕的边缘以及楔的衍射，得出的结论仍然与当时处于主流的光粒子说有关，并未对光的衍射与光的波动性起到促进作用以及有力的影响。

二、建立光的衍射理论

惠更斯—菲涅耳原理是物理学中一项传播理论，是荷兰著名物理学家Christiaan Huygens提出的，通过波动理论对光传播呈现的规律进行解释。目前，该种理论为衍射现象进行研究的基础理论，是对光波传播中问题开展解决的一项近似手段，被研究界认可并在实际问题中得以应用。此种理论内容可以归纳为：在行进状态中波阵面上任何一点均可以认为是全新次波源，波阵面可以让其任何一点发出次波，众多次波就能够形成包络面，该包络面就是原有的波面在固定时间中传播形成的全新波面。

三、光的衍射实验分析

光的衍射实验包括了三个实验，分别是单缝衍射、圆孔衍射和光栅衍射，其中单缝夫琅和费衍射和圆孔衍射的实验设备，实验原理，实验的现象相似。

实验原理：

（1）形成衍射的基础条件为：光线向一些小巧的物体（如针孔等）照射时候，可以十分清晰的观察到其衍射。该种现象因为光的波长十分短，一般的物体都比其体积大，能够让衍射现象进行直观的展示。

（2）光的衍射现象的观察和其特点：在实验室中观察衍射现象主要是用氦气激光器进行，让其成为光源，该种实验的效果比较好。通过该实验可以看出衍射现象展现出两个特点：第一点，如果光束在实验中衍射屏面积中某方位出现限制现象，就会对远处的屏幕衍射强度造成一些影响，具体表现为衍射光线沿着该种方向进行扩展。第二点，如果光孔的线度更小，则光束受到的限制就会更加严重，最终的衍射范围也更加明显和弥漫。

（3）从研究衍射的角度看，可将衍射现象分为两类：

菲涅耳衍射（光源和屏幕或两者之一距离障碍物有限远）、夫琅和费衍射（光源和屏幕都距离障碍物无限远）。

（4）菲涅耳衍射实验： ①圆孔衍射，将一束光投射在一个小圆孔上，在距离小孔12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。②圆屏衍射，当一点光源发出的光通过圆屏边缘时，在投射屏上也将发生衍射现象。

（5）夫琅和费衍射实验：①单缝衍射，夫琅和费在1821——1822年间研究了观察点与光源距离障碍物都是无限远时的现象。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。②圆孔衍射，在观察单缝衍射的装置中，用一个小圆孔来代替狭缝，设仍然以激光为光源，那么在透镜的焦平面上可得圆孔衍射花样。

两者的光强分布的计算与衍射花样的特点都可以由惠更斯——菲涅耳原理计算与分析得出。

（6）实验中的一些问题：①用单色光开展实验的照射效果更好一些，建议在日后实验中采用该种光束进行实验。如果实验采用肤色光，实验看到的衍射图案就会是彩色的，导致衍射现象不容易进行清晰化的观察。②缝和圆孔的宽度和直径越小，衍射现象越明显，反之，由于光具有波粒二象性，光可以直接穿过去，而不产生衍射现象。

四、光在领域中衍射应用

光呈现的衍射原理对后人有着积极作用和影响，可以利用光谱对元素进行分辨，提升人们对元素的认知。人们比较熟知的光谱分析仪就是利用光波的长度进行元素的分析，同时也能对化合物开展分析，提升领域的发展和认知。借助光谱能够对这些具有特定性的波长和光波的强度进行测试，最终实现化学元素的构成以及含量的分析。就目前社会的应用讲，该项技术主要在考古学以及天文学等领域中实现应用，提升这些领域的发展效果。

衍射也可以对长度进行精密的计量，通过开展精细化的数据测量，可以对工件表面实际情况进行观察，分析其和设计原始要求中呈现的较为微小的差异，以此保障设计的质量和精细要求。除了在以上几个层面的应用，光的衍射在生活中其实也是层出不穷的。当我们凝视灯光或是在夜晚散步时仰望月亮时，都可以看到放射形的光芒，而且在我们将瞳孔眯小时，这种光线的辐射似乎会更明显。

同时，在现代的科技中，光的衍射应用仍十分重要：无论是用于光谱分析，还是用于结构分析，可以对人们肉眼不能查看的精细结构实现放大作用。同时，可以通过图样对結构进行精细化的分析和探究，例如人们提到的衍射成像和X射线，能够对光学开展信息的分析和处理。也就表明，在光成像此种体统中，通过两次分析衍射成像的内涵，能够发展为滤波技术和光学处理，提升众多领域的创新效果。光瞳衍射可以对仪器中的分辨本领进行导出，提升对物体的分辨效果和精准性，同时也是波面再现的一项体现，也是全息原理的一项体现。这些现象和技术都在我们的日常生活和科学生活中有着举足轻重的地位，改善着众多领域的发展效果和态势。

参考文献：

[1]赵凯华.光学.

[2]玻恩，沃尔夫.光学原理.

[3]章志明.光学（第二版）.

[4]母国光.光学.

[5]张彦亮，周汝远.对光的双缝干涉的教学讨论[J].