电子科技大学：《光学原理 Principles of Optics》课程教学资源（课件讲稿）第四章 标量衍射理论基础

第四章 标量衍射理论基础

第四章 标量衍射理论基础

行身时死浪 衍射：波在传播过程中遇到障碍物偏离几何路 径传播（进入几何阴影区)的现象 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

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。 衍射：波在传播过程中遇到障碍物偏离几何路 径传播（进入几何阴影区）的现象

3、光波的衍射 E 直线传播 E A 型 S S 宽 衍射 B 缝 E 衍射 A 窄 b 光绕过障碍物的边缘，偏离直线传播而进入 B 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

3、光波的衍射 B E A S S A B E b' b a a' 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 S E b a ● 细 丝 直线传播 衍射 衍射

衍射屏（障碍物） 行射图样 入射光波 魂察屏 侠缝 参十 圆孔 圆屏

衍射现象

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。 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。 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 种近似

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。 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。 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

1.衍射与干涉一般是同时存在的共同本质形式上区别 2.衍射是一切波动固有的特性 障碍物限度与入的比 3.引起衍射的障碍物分 振幅型一孔缝 位相型一光学厚度nh不均匀的玻璃板 只要以某种方式使波前或位相发生变化一引入空间 不均匀性，这种不均匀性的特征限度与入在一定范围 4.若入/趋于零→衍射现象消失一几何光学是入/趋于零 的极限情况

1.衍射与干涉一般是同时存在的 共同本质 形式上区别 2.衍射是一切波动固有的特性 障碍物限度与的比 3.引起衍射的障碍物分 振幅型—孔 缝 位相型—光学厚度nh不均匀的玻璃板 只要以某种方式使波前或位相发生变化—引入空间 不均匀性,这种不均匀性的特征限度与在一定范围 4.若/a趋于零衍射现象消失—几何光学是/a趋于零 的极限情况

意大利格里马耳迪(F.M.Grimaldi)1665年首 先报道和描述了衍射现象。他当时用来观察光 衍射的装置由光源发出的光照射到一个不透明 的屏所开的孔径上，在孔径后方用一个平面屏 来观察经孔径透射的光在它上面分布的情况。 按照几何光学的观点，.在观察平面上影子与亮 区的交界处应该是轮廓分明的，然而实际的观 察表明有一部分光线进入了几何阴影的暗区 同时在亮区中却出现了暗纹。索未菲将这种 “不能用反射或折射来解释的光线对直线光路 的任何偏离”的现象定义为衍射

• 意大利格里马耳迪(F.M.Grimaldi)1665 年首 先报道和描述了衍射现象。他当时用来观察光 衍射的装置由光源发出的光照射到一个不透明 的屏所开的孔径上，在孔径后方用一个平面屏 来观察经孔径透射的光在它上面分布的情况。 • 按照几何光学的观点，在观察平面上影子与亮 区的交界处应该是轮廓分明的，然而实际的观 察表明有一部分光线进入了几何阴影的暗区， 同时在亮区中却出现了暗纹。索未菲将这种 “不能用反射或折射来解释的光线对直线光路 的任何偏离”的现象定义为衍射

惠更斯原理 为了解释光的衍射现象，作为最初迈出的一步， 光的波动说的创始人惠更斯1678年在他的《论 光》一书中提出了一个原理，用以解释光波的 传播过程 。 [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 时刻的新波面

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。 为了解释光的衍射现象，作为最初迈出的一步， 光的波动说的创始人惠更斯 1678 年在他的《论 光》一书中提出了一个原理，用以解释光波的 传播过程

平面波 球面波 t=0 t=T t=T t=0 cT 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=τ cτ t=τ cτ 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

牛顿于1704年在他的《光学》一书中根据光的直 线传播性质，提出了光是微粒流的理论，，这就是 光的微粒说。，牛顿本人是反对光的波动说的，由 于他当时在科学界的地位和影响，使得惠更斯的 理论停止不前达近一个世纪，一直到1801年杨氏 提出光的千涉原理之后，光的波动说才得以被人 们重新认识。 1818年菲涅耳综合了惠更斯原理和光的干涉原理 提出既然次波源处于同一波阵面上，那么由它们 发出的子波必然是彼此相干的，在波传播的后面 空间中任何一点处的光振动则是这些次级波源产 生的子波迭加的结果。，这一用于涉理论补充了的 惠更斯原理，现在被称为惠更斯一菲涅耳原理 惠更斯一菲涅耳原理在衍射理论中极为重要，可 以将它看成是光的波动理论的基本假设

• 牛顿于1704年在他的《光学》一书中根据光的直 线传播性质，提出了光是微粒流的理论，这就是 光的微粒说。牛顿本人是反对光的波动说的，由 于他当时在科学界的地位和影响，使得惠更斯的 理论停止不前达近一个世纪，一直到 1801年杨氏 提出光的干涉原理之后，光的波动说才得以被人 们重新认识。 • 1818 年菲涅耳综合了惠更斯原理和光的干涉原理， 提出既然次波源处于同一波阵面上，那么由它们 发出的子波必然是彼此相干的，在波传播的后面 空间中任何一点处的光振动则是这些次级波源产 生的子波迭加的结果。这一用干涉理论补充了的 惠更斯原理，现在被称为惠更斯—菲涅耳原理。 • 惠更斯—菲涅耳原理在衍射理论中极为重要，可 以将它看成是光的波动理论的基本假设