12-7 光的衍射现象 惠更斯-菲涅耳原理

1.光的衍射现象

衍射和干涉一样,也是波动的重要特征之一。波在传播过程中遇到障碍物时,能够绕过障碍物的边缘前进。这种偏离直线传播的现象称为波的衍射现象。例如,水波可以绕过闸口,声波可以绕过门窗,无线电波可以绕过高山等,都是波的衍射现象。光波也同样存在着衍射现象,但是由于光的波长很短,因此在一般光学实验中(例如光学系统成像等),衍射现象不显著。只有当障碍物(例如小孔、狭缝、小圆屏、毛发、细针等)的大小比光的波长大得不多时,才能观察到衍射现象。在光的衍射现象中,光不仅在“绕弯”传播,而且还能产生明暗相间的条纹,即在波场中能量将重新分布。

2.菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射

    观察衍射现象的实验装置一般由光源、衍射屏和接收屏三部分组成。按它们相互间距离的不同情况,通常将衍射分为两类:一类是衍射屏离光源或接收屏的距离为有限远时的衍射,称为菲涅耳衍射;另一类是衍射屏与光源和接收屏的距离都是无穷远的衍射,也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射,称为夫琅禾费()衍射。在实验室中,夫琅禾费衍射可用两个会聚透镜来实现。由于夫琅禾费衍射在实际应用和理论上都十分重要,而且这类衍射的分析与计算都比菲涅耳衍射简单,因此这里只讨论夫琅禾费衍射。

3.惠更斯一菲涅耳原理

    波的衍射现象可以应用惠更斯原理作定性说明,但不能解释光的衍射图样中光强的分布。菲涅耳发展了惠更斯原理,为衍射理论奠定了基础。菲涅耳假定:波在传播过程中,从同一波阵面上各点发出的子波,经

传播而在空间某点相遇时,产生相干叠加。这个发展了的惠更斯原理称为惠更斯-菲涅耳原理
    菲涅耳还指出,给定波阵面上,每一面元发出的子波,在波阵面前方某点所引起的光振动的振幅的大小与面元面积成正比,与面元到点的距离成反比(如图所示)并且随面元法线与间的夹角增大而减小,计算整个波阵面上所有面元发出的子波在点引起的光振动的总和,就可得到点处的光强。
    应用惠更斯一菲涅耳原理,原则上可解决一般衍射问题。但积分计算是相当复杂的。后面我们将使用半波带法和振幅矢量法来解释衍射现象。

 


图12-38