衍射曾被称为“绕射”,绕射一词能够反映人们对衍射现象最初的理解,也符合中学教材给出的关于衍射的定义——(光)波可以绕过障碍物继续传播。当然,现在看来,用“绕射”一词来反映衍射现象并不是很准确。
根据惠更斯原理,衍射现象是波场中的每一点作为次级扰动中心不断“衍生”出新的子波而产生的。应该这样说,就算是没有障碍物,波在自由传播时也可视为是子波不断衍生的过程,只不过在有障碍物的空间,波面受到了某种限制而不再完整。
在上一段中,我们把菲涅耳—基尔霍夫衍射积分公式应用于衍射场,从理论上解决了接收面上出现的衍射图样(光强分布)问题,示意图如下:
在上图中,入射光波为平面波,而经单缝后每一点视为次波源,发出球面波。注意到平面波与球面波有不同的相位因子,也就是说在单缝处光波的相位发生了改变,故入射光波与衍射光波的复振幅有如下关系:
与无单缝时的(2)式相比,可见单缝起到了改变光波相位的作用。类似单缝这样,在光场的传播中起到改变光波复振幅的光学元件,统称为衍射屏。衍射屏自然不止是单缝,类似透镜、光栅等凡是能够改变光波复振幅的物件,都可以作为衍射屏。
所以,一般来说,衍射屏除了改变光波的相位,还有可能改变光波的振幅,前边的表述一直强调改变复振幅(包括振幅和相位)正是由此。此时(3)式应改写为一般形式:
这样一来,我们又从另一个角度——可以说是深入的角度——重新认识衍射现象:光在传播过程中,复振幅的分布被改变,导致后场的光波场与自由传播时的光波场不同的现象叫做衍射。
至此,衍射已不再局限于最初的唯象认知——光绕过障碍物传播的现象。
既然屏函数可以反映衍射屏的性质,我们就可以通过衍射现象分析衍射屏的结构,这为我们提供了一个分析微结构的方法。20世纪50年代DNA双螺旋结构的发现,正是由X射线的衍射图样揭示出的,这标志着分子生物学的诞生。研究DNA结构的有物理学家,也有化学家,有人说,这是物理学家与化学家“剑走偏锋”,助产了现代生物学。
当代科学的创新,往往需要多学科交叉才能够实现。不同学科在研究领域与思维方式上互为补充,互为助益,才能够有所突破。这已很难由某一人来实现了。
另外,关于菲涅耳的理论,在科学史上还有一件趣事。
年,法兰西科学院发起悬赏征文,主题是“对光的衍射现象的说明”。当菲涅耳提出自己的衍射理论后,数学家泊松(Simeon-DenisPoisson)根据菲涅耳的原理计算出,当光照向圆屏时,在圆屏影子的中心会出现一个亮斑。泊松认为这是不可思议的(其实据生活经验来说确实难以置信吧),并以此否认了菲涅耳的原理,差一点就使得菲涅耳的论文中途夭折。而评委之一——法国物理学家阿拉果(DominiqueFrancoisJeanArago)立即作了实验,发现圆屏衍射的图样中心确有亮斑,与泊松的计算结果出乎意料的一致。这个亮斑使菲涅耳获得了头奖,且使得他的理论得到了普遍的承认。后人常把圆屏衍射中心亮斑称为“泊松亮斑(Poissonspot)”,来纪念这个有意义的事件。
如果把菲涅耳——基尔霍夫衍射积分公式应用于分立点波源,则积分问题可化为求和问题,对于波动光学来说,就是把衍射问题化成了干涉问题,相应的现象为光的干涉现象。
光的干涉实验在光学史上有重要的意义,它最早让物理学家从实验上观测到了光的波动性,给了惠更斯原理中“次波”的概念以实在的物理意义,相干光波的概念也由此建立,这就为衍射理论提供了思想上的准备。本文的理论没有按照历史发展顺序展开,而选择了尽量在理论上从一般到特殊的方式,先提到了衍射。至于与干涉有关的内容,则放在后文。
而上一段中曾提及平行光通过单缝,经凸透镜聚焦后的光强分布规律为
所以,通常所说的光沿直线传播,其实是忽略了光的衍射,这时要求光的波长远小于障碍物或孔、缝的尺度。而在这种情形下,对光的研究就可以进一步简化,用带箭头的线——称为光线——来表示光的传播路径与方向,而把光的传播问题简化为几何问题,这样的光学,称为几何光学。
下一段将简单介绍几何光学。主要突出高中阶段几何光学的主要内容,就不针对具体的光学元件(如透镜)作具体说明了。
本段结束。
大茧蛹