高等物理光学-5-0-光的衍射与成像0

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1、高等物理光学光的衍射(5-0)1.1光的衍射的现象一、衍射现象波的衍射：当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍射。索末菲（A.Sommerfeld）的定义：“不能用反射，折射来解释的光线对直线光路的任何偏离。”衍射：是光传播过程中的一个基本现象，对干涉、衍射与偏振等现象的研究，构成了波动光学的核心。光的衍射在日常生活中，光的衍射现象不易为人们所察觉，与此相反，光的直线传播行为给人们的印象却很深。这是由于光的波长很短，以及普通光源是不相干的面光源。这两方面的原因使得在通常条件下，光的衍射现象很不显著。在满足一

2、定条件时，（采用高亮度的相干光或强点光源，并保证屏幕的距离足够大）可演示出衍射现象。衍射不仅使物体的几何阴影失去了清晰的轮廓，而且在边缘附近还出现一系列的明暗相间的条纹。光的衍射这些现象表明，衍射不简单是偏离直线传播的问题，还与某种复杂的干涉效应有联系。从实验上看：衍射现象有如下特点：1、光束在衍射屏上的什么方位受到限制，则接收屏幕上的衍射图样就沿该方向扩展；2、光孔线度越小，对光束限制越厉害，则衍射图样的扩展越强，即衍射效应越强。3、光的衍射与光的波长有关。光的衍射二、衍射理论：光的衍射是光的波动性的主要标志之一，181

3、8年，菲涅尔最早成动地用波动光学原理解释了衍射现象，发展惠更斯原理为惠更斯－菲涅尔原理。1818年，法国巴黎科学院举行的以解释衍射现象为内容的有奖竞赛会上，年青的菲涅耳取得了优胜，开始了波动说的兴旺时期。光的衍射三、衍射问题：衍射现象中包含了三项基本要素1、由光源S发出的光波。其性质可以用光波的波长、波面形状、复振幅分布等参量定量描述。2、衍射物（屏），若是二维“屏”状，其性质可由屏的（复）振幅透射系数分布描述。3、观察屏上的“衍射图形”，用电场的复振幅分布描述衍射问题：已知上述两项时，求第三项，中心是建立上三项要素之间的

4、定量关系。光的衍射现象一、衍射现象：1、机械波的衍射不沿直线传播而绕过障碍物，沿各方向绕射的现象。如声波、水波的衍射。2、电磁波的衍射不沿直线传播而绕过障碍物，继续传播的现象。如无线电波（电视、广播）的衍射。3、光波的衍射光绕过障碍物的边缘，偏离直线传播而进入几何阴影区，并在屏上出现光强不均匀分布的现象称为光的衍射现象。宽窄缝●细丝直线传播衍射衍射二、衍射条件当障碍物线度与光波波长可以比拟时，才能发生衍射现象。三、衍射与直线传播的内在联系可见光波长在390nm～760nm范围内，常见的障碍物线度均远大于它，因而，光波通常显

5、示出直线传播性质；一旦遇到线度与波长有相同或更小数量级的障碍物，衍射现象就会明显地显示出来。结论对光而言，衍射是绝对的，直线传播是相对的；直线传播仅是衍射的一种近似。2.1惠更斯--菲涅耳原理1、惠更斯原理从同一波面上各点发出的子波,在传播到空间的某一点时,各个子波也可以互相叠加而产生干涉现象。2、惠更斯--菲涅耳原理子波干涉惠更斯—菲涅耳原理一、惠更斯原理1、波面：波传播过程中，位相相同的空间点所构成的曲面，即等相面，称为波阵面，简称波面。波面为球面的波动称为球面波，如点光源发出球面波；波面为平面的波动称为平面波，如平行

6、光束；波面为柱面的波动称为柱面波，如狭缝光源发出柱面波；一般情况下，波面与传播方向垂直。2、惠更斯原理[表述]：任何时刻，波面上的每一个点都可作为新的次波源而发出球面次波，在以后的任一时刻，所有次波波面的包络就形成整个波动在该时刻的新波面。[说明]：①、亦称为次波假设；②、若某时刻波面已知，可由此原理求出以后任一时刻的新波面。如下页图。t=τcτt=τcτ平面波球面波3、应用及局限性：只能定性解释直线传播、反射、折射、晶体双折射等现象，不能定量计算和解释干涉、衍射现象。t=0●●●●●t=0二、惠更斯—菲涅耳原理光源SQ1

7、、表述：在给定时刻，波面上任一点都可作为新的次波源发出次波，而障碍物外的光场中任一点的光振动即为波面上各点发出并到达该点的各次波的相干叠加。2、四个假设：①波面是一等相面。→S上所有面元ds具有相同位相（令其为0）②次波源ds在P点的振幅与r成反比。→次波是球面波③次波源ds在P点的振幅正比于其面积且与倾角θ有关，随θ的增大而减小。④次波源ds在P点的位相由光程Δ=nr决定，→3、表达式：上式即为惠更斯—菲涅耳原理的积分表达式，亦称为菲涅耳衍射积分。讨论：1、积分表达式是次波假设与杨氏干涉原理（相干叠加）的有机结合—物理意

8、义；2、一般情况下，上述积分相当复杂。只有当S对通过P点波面的法线具有旋转对称性时，才能积出结果。此时，可用代数加法或矢量加法来代替积分；3、借助积分式可定量描述光波通过障碍物时发生衍射现象的主要特征。光源SQ三、衍射的分类：菲涅耳衍射光源—障碍物—接收屏距离均为有限远。夫琅和费衍射光源—障碍物—