光的衍射及其应用

光的衍射及其应用

摘要：光在传播的过程中能绕过障碍物边缘，偏离直线传播，而进入几何阴影，并出现光强分布不均匀的现象称为光的衍射。光波的波长比声波的波长短很多，这也是为什么人们最先意识到声波的衍射而往往把光波的衍射当成直线的传播，直到1814年，法国物理学家费涅尔注意到光在传播过程中，遇到障碍物，并且障碍物的线度和光的波长可以比拟时，就会出现偏离原来直线传播的路径，在障碍物背后本该出现阴影的地方出现亮纹，而在本该亮的地方出现暗纹的现象，才有了今天的光的衍射并加以研究。

关键词：费涅尔，惠更斯原理，惠更斯—费涅尔原理，柏松亮点，夫琅和费单缝衍射。 一、常见衍射实验的分析。

最常见的光的衍射实验就是单缝衍射和圆孔衍射两种。

单缝衍射即是用一束平行光射到单缝上，在紧贴单缝后放一面凸透镜，注意单缝要很窄，因为要保证光波的波长与狭缝的宽度可比拟，然后在透镜的焦点出放一白板，则可以看到明暗相间的的条纹。这就是光的衍射。

圆孔衍射就是将单缝换成圆孔，当然一样要保证圆孔的直径大小与光的波长可比拟，则可以在物板上看到中间是亮斑而周围是亮环的图形。

上面两个实验我们在高中的就接触过，但没有在单缝或是圆孔后面加一个透镜，而现在，将圆孔后的透镜移走，则可以看到明暗相间的同心圆。

而如果把圆孔换成圆板，当圆板的大小远远大于光的波长时，只能看见物屏上的圆形阴影，而渐渐减小圆环的大小，则可以在圆板大小与光波波长可比拟时看到“柏松亮点”，即在圆形阴影中心的亮点，而圆形的阴影周围是明暗相间的同心圆。

总结以上实验可知：光波在哪个方向受限制，就往哪个方向衍射；当障碍物的大小与光波的波长可比拟时，光的衍射现象最明显；光具有波动性（类比声波）。

如果说上述的实验是光的衍射实验的入门，那么夫琅和费单缝衍射则是光的衍射实验中最常见的仪器。它与之前用的仪器最大的不同就是光源和衍射场到物屏的距离都是无限远，听起来向无法实现似的，但这实质上只是想把入射的光线看成是平行光且在无限远处相干叠加兵形成衍射。其实验装置是一束平行光射在小圆孔s上，再经凸透镜变成，垂直于单缝的光线，光线射到单缝上，根据惠更斯—费涅尔原理，单缝上每一个点都是子波波源，发出衍射波，它们相干叠加形成明暗相间的衍射图样，也

被称为夫琅和费单缝衍射图样。 二、光的衍射的应用

从一开始意识到光的衍射到充分的利用这个自然现象，人类用了将近200年。沃森和克里克也在剑桥大学进行DNA结构的形究，他们看了DNA分子的衍射图后，很快就领悟到了DNA的结构──两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构，氢键把它们联结在一起。因此他们获得了诺贝尔奖；而德国科学家劳尔根据衍射图样与障碍物的结构间一一对应的关系，利用X射线穿过晶体后发生晶格衍射时，不同的晶体产生不同的衍射图样，仔细分析得到的衍射图样，从而推理得出组成晶体的原子是如何排列的，并因此获诺贝尔奖。这些都不得不说是对生物学和现代光学分析技术的巨大贡献。

光的衍射原理启发了后人光栅，可以用光栅的光谱来分辨元素。就像大家都知道的光谱分析仪中，各种元素或化合物通过发光，产生自己特定的波长。借助与光栅光谱可以测定这些特定的波长和相应的波强度，从而获得各种元素或化合物的成分以及含量。这项技术广泛的运用与天文、考古等行业中。

而光的衍射在生活中其实也是层出不穷的。当我们凝视灯光或是在夜晚散步时仰望月亮时，都可以看到放射形的光芒，而且在我们将瞳孔眯小时，这种光线的辐射似乎会更明显。

同时，在现代的科技中，光的衍射应用仍十分重要：无论是用于光谱分析，还是 用于结构分析，运用对精细结构相当敏感的“放大”作用,利用图样分析结构,如X射线结构学， 亦或是衍射成像，即在相干光成像系统中,引进两次衍射成像概念，由此发展成为空间滤波技术和光学信息处理。光瞳衍射导出成像仪器的分辨本领，还是全息术原理中的重要一步—波面再现，都在我们的日常生活和科学生活中有着举足轻重的地位。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jc72.html