光的衍射现象的分析及研究(2)

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本文的主要内容安排如下：

第一章由光的衍射原理（包含菲涅尔原理，惠更斯-菲涅尔原理），证明推导光的衍射两大节内容组成，系统地阐述光的衍射理论的建立；第二章主要讨论阐述光的衍射现象并分析影响观察光的衍射现象的因素；第三章主要对光的常见衍射实验进行分析，并对其进行MATLAB仿真；第四章剖析光的干涉与光的衍射的区别联系，让读者更深刻的领略光的波动特性，对干涉实验也进行仿真，与衍射的仿真图像及光强分布比较，更形象地了解他们间的异同；最后了解当今社会由光的衍射性质推广出的科学科技上的应用及发展前景。文献综述

1 光的衍射理论的建立

从几何光学的角度来看，光的衍射现象与光的直线传播原理是矛盾不一致的。我们必须从光波的波动观念出发，对这两者作出统一的解释说明，否则就难以建立光的衍射理论证明它的合理性。

1.1惠更斯原理

惠更斯提出过次波的观点来阐述说明波的传播现象，于是他建立了惠更斯原理。它可表述如下：任何时刻波面（研究波的传播时，我们总能找到同相位各点的位置，这些点的轨迹是一个等相面，即波面）上的每一点都可作为次波的波源，而且各自发出球面次波；所有这些次波波面的包络面在每时每刻形成了整个波在该时刻的新波面。如下图1-1所示：

惠更斯原理

图1-1惠更斯原理

尽管惠更斯原理解释了光的直线传播、反射、折射以及双折射等现象，但原始的惠更斯原理还是十分粗糙，因为它解释不了光的干涉及衍射现象；而且惠更斯原理还会导致有倒退波存在，而事实上不存在倒退波。因为惠更斯原理的次波假设理论不涉及到波的时空周期性——波长、振幅和相位，所以它说明不了波在障碍物边缘的传播方向偏离直线的现象。实际上，光的衍射现象很细微，还有明暗相间的条纹出现，波面上各点的振幅大小也不相等，因此，只有定量计算出光波所到达的空间范围内任意一点的振幅，才可以精确地解释衍射现象。

1.2惠更斯-菲涅尔原理

惠更斯－菲涅耳原理是以荷兰物理学者克里斯蒂安·惠更斯和法国物理学者奥古斯丁·菲涅耳命名的，用来分析研究波的传播问题的，是用波动理论解释光波的传播规律的一种基本原理。此原理同时适用于近场衍射与远场极限衍射。菲涅尔在惠更斯的次波假设基础上补充了次波的时空周期性：相位和振幅的定量表达式还增加了次波相干叠加原理，使其发展成为惠更斯-菲涅尔原理。运用惠更斯-菲涅尔原理计算衍射图样的光强分布时，需要考虑每个子波波源发出的子波的振幅、相位跟传播方向及传播距离的关系。这种计算对于菲涅尔衍射是很复杂的，而对于夫琅禾费衍射则比较简单[ ]。来.自/751·论|文-网·www.751com.cn/

1.2.1光的衍射的分类

为了观察光的衍射现象，我们经常用光源、衍射屏和接收屏组成光的衍射系统。为了便于研究，依照衍射系统中三者之间相互距离，将光的衍射现象分为两大类：菲涅尔衍射与夫琅禾费衍射。我们这里讨论的是光波，菲涅耳衍射指的是光波在近场区域的衍射，例如菲涅尔圆孔衍射，菲涅尔圆屏衍射等；而夫琅禾费衍射则为远场极限的衍射，包括单缝衍射、细丝衍射、矩孔衍射和光栅衍射及有很多实际应用的X射线衍射等。

1. 夫琅禾费衍射

夫琅禾费衍射是指衍射系统中光源和观察屏幕离衍射屏均为无限远的衍射现象.夫琅禾费单缝衍射实验装置如图1-2所示入射光和衍射光均为平行光。做实验时，夫琅禾费衍射所需条件要借助两透镜实现，如图1-2所示，把光源放在会聚透镜L1 的前焦点上，那么从透镜L1透射出的光就是平行光。同时把接收屏放于会聚透镜L2的后焦面上，那么到接收屏上任一点的衍射光也为平行光。