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一文弄懂波動光學中的“衍射反比律”

2021-08-29
來源:光電資訊

  光波衍射反比律和光場空間相干性反比律以及光場時間相干性反比律,稱為波動光學三個反比律,它們簡明而深刻地體現了波傳播行為的特征和波場的主要性質,是人們深切理解波動性而必須具備的基本認識。今天我們為大家帶來的是波動光學中的“衍射反比律”!

  光波波前一旦受限,必將發生衍射,如圖1所示。

  其光孔線度a與相應的衍射發散角圖片之乘積, 近似地等于光波長圖片即

  被我們稱為衍射反比律的式(1),寫成近似式以使它更具普遍性,雖然對于單狹縫或距孔,等式是成立的。

  對于其它光孔,右邊波長一量前面之系數, 將偏離1或大或小,比如對于圓孔圖片這里D系圓孔直徑必須指出,對于任意形狀的光孔,以式(1)估算其衍射發散角是比較實用的,其中線度a應理解為它的特征線度,推廣至二維情形,衍射反比律表現為:

  衍射反比律在認識論上和應用上具有多方面的意義,其中包括以下幾個方面:

  1,衍射反比律鮮明地反映了波動具有反限制的行為特征,其波前越加被限制,則其后場的彌散越加寬廣,這是一切波動的共性,并非僅限于光波,也適用于微波和X射線,也適用于聲波,水波和固體中的彈性波。

  2,衍射反比律指明了幾何光學的適用范圍,若衍射發散角為零,則意味著光波經光孔無衍射,光波沿直線傳播,這是幾何光學的實驗基礎,衍射反比律明確地給出了圖片的條件,或圖片或圖片則圖片。

  故人們說,幾何光學是光波長趨于零條件下波動光學的極限傳播行為,這顯然是一個近似,因為波長不可能為零。然而當波長圖片時,衍射發散角圖片甚小,此時幾何光學給出的結論是一個很好的近似。

  3,衍射反比律蘊含一種放大原理,當光孔幾何線度越小,或廣義上說,當作為衍射物的結構越細微,則光波衍射的角范圍越大,在遠處生成的衍射圖樣越寬廣,人們便于對衍射圖樣進行觀測,再作反演而獲得光孔或微結構的信息。

  當然,這是一種衍射放大,并非投影儀或電影機那樣的幾何相似放大,衍射放大本質上是一種光學變換,只要我們掌握了這種變換關系,就能從衍射圖樣的反演即逆變換下,獲得微結構的特征信息,甚至可以重構微結構的三維圖像,誕生于20世紀前二十年代的衍射結構分析學,至今仍然是人類獲取凝聚態物質微結構的主要手段。

  4,衍射反比律在近代光基技術中有直接的應用。




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