光的衍射-通识物理简介

根据生活经验，我们会有这样的常规认识：向湖里扔一块小石头会激起环形的水波并逐渐扩散开来，水波如果遇到小树枝等障碍物，将会绕过障碍物继续向前传播；水波如果遇到一个小孔，则会以孔为新波源，形成新的环形波继续向前传播。总之，无论是小障碍物还是小孔，都无法阻碍水波的继续传播，这种行为的本质就是水波的衍射现象。不仅水波，声波也常常体现了较为明显的衍射现象，比如《红楼梦》在《林黛玉进贾府》一回中对王熙凤“未见其人先闻其声”的描写就属于声波的衍射现象；类似的例子还有所谓的“隔墙有耳”等等，总之都是描述声音难以被障碍物阻挡的衍射特性。

与水波和声波相似，作为电磁波的光波在传播过程中，如果遇到小障碍物或小孔，光波将在边界偏离直线传播的路径，绕过障碍物继续传播，这就是光的衍射现象。最早发现光的衍射现象的是意大利物理学家格里马迪，他在1665 年观察光线通过圆孔后的强弱分布时，发现光的分布没有截然的边界，不能用当时通行的光的微粒说来解释。后来，如图11.12 所示，在麦克斯韦通过他的电磁方程组预言光波是一种电磁波后，人们逐渐意识到可以考虑用光的波动说来解释格里马迪所看到的奇怪现象。1678年，荷兰物理学家惠更斯终于应用波动说最基本的惠更斯原理成功解释了格里马迪的观察结果，这一现象也就因此被命名为“光的衍射”。显然，光的衍射现象的发现源自人们对光的波动说的理解，所以反过来光波具有衍射现象和干涉现象也共同成为光的波动说的最有力证据。

图11.12　麦克斯韦通过电磁方程组预言光波是一种电磁波

光的衍射效应是否显著，取决于障碍物或者小孔的尺度与光的波长的关系。当障碍物或小孔的尺度比光的波长大很多时，光波的衍射现象不明显，光更多遵循直线传播定律和微粒性，呈现出反射、折射等几何光学现象；但是，当障碍物或小孔的尺度与光的波长接近时，光波的衍射效应就会比较明显。也正因为这个原因，水波和声波等具有较长波长的机械波的衍射现象较为明显，而光波由于波长较短，所以其衍射现象就相对难以观察到。19世纪，人们虽然能够认可光的衍射现象，但在同时解释光的几何和波动特性时遇到了难题。比如：我们都知道衍射意味着光不能沿直线传播，而反射则必须沿直线传播，那么光究竟该不该沿直线传播呢？对于这个问题，一位年轻的军事工程师菲涅耳站了出来，他把波动的周期性相位变化同惠更斯原理结合起来，并用解析的形式进行了精确的表达，得到了“惠更斯-菲涅耳原理”。应用该原理，菲涅耳对光的衍射问题进行了精确的计算，用它终于可以在圆满解释衍射中光路偏折现象的同时，也能很好地解释光的直线传播特性。(www.xing528.com)

其实，我们在日常生活中也能够观察到一些光的衍射现象。比如，我们在一个点光源（比如台灯）和墙壁之间放置一个乒乓球，会看到乒乓球在墙上留下的影子边界并不清晰；但是，当乒乓球逐渐靠近墙壁时，我们又会看到乒乓球的影子边界变得逐渐清晰起来。其实，乒乓球的影子是光沿直线传播时被遮挡所形成的；而边界不清晰，则是因为一部分光线在通过乒乓球边界时发生了衍射效应，不再沿直线传播，而是发生了偏折，并到达了乒乓球后面的阴影区域，所以削弱了影子的边界。而当乒乓球靠近墙壁时，偏折的光线不能深入到乒乓球背后的阴影，所以影子边界又会逐渐变得清晰。当类似乒乓球作用的圆形遮挡物足够小时，我们还能看到更加明显的衍射现象。比如，当我们用红色激光照射一个足够小的圆斑时，可以看到一组明暗相间的环形条纹，而且中间有一个亮斑（请参见本书的配套慕课视频）。而这种由单色光照射到小圆斑上，并在后面的屏幕上出现明暗相间环形条纹的图像，就叫作“泊松亮斑”。这种图像产生的原因在于：光波在通过小圆斑时，部分光线在边界发生光路偏折，而另一部分光线继续沿直线传播，这些彼此分离的光波就形成了相干光波，从而会由于光波的叠加而呈现出明暗相间的干涉条纹。又由于光线沿小圆斑边缘呈环形偏折，所以会出现环状干涉条纹；如果我们将圆斑换成细条纹，也可以看到明暗相间的条形干涉图案。当然，只有采用单色光才能看到明暗相间的干涉条纹；如果我们采用白光作为光源，则会看到各种单色分离开来的彩色干涉条纹（类似于薄膜干涉）。以上所说的各种图像虽然表面上看都是光的干涉条纹，但它们产生的根本原因都是部分光波的传播路径发生了偏折（衍射），所以这些现象都属于“光的衍射现象”。

除了以上提到的圆斑和细纹衍射，我们还常常看到：一束光线在经过一个小孔后变为发散状，比如从小窗外射入暗室的发散状光线。这个现象说明：光线在经过一个小孔时，不再沿着直线路径传播，而是发生了偏折。光波的偏折可能形成相干波，进而引发明暗相间的光波干涉条纹。所以可以想象：不仅是圆班或者细纹，光波在通过小孔时，由于光路偏折也可能出现干涉条纹，而这种现象则叫作“小孔衍射”。小孔衍射的图案与泊松亮斑具有一定的相似性，且它们都是光路的偏折（衍射）所导致的光波干涉现象。

在本节的内容中，我们多次提到了干涉和衍射这两个物理概念，它们好像都与明暗相间的条纹有关，那么这两个概念究竟有什么区别呢？其实从本质上看，光的干涉与衍射现象都可以通过相干光波叠加的结果予以体现，但区别在于：光的干涉只强调相干光波的干涉效果，其必然产生明暗相间的干涉条纹；而光的衍射则强调光波传播路径的偏折，其可能由于光线偏离直线而进入阴影区域，从而造成“阴影边界不明显”的现象，也可能由于相干光波的形成而导致明暗相间的干涉条纹。所以说：“干涉的重点在于相干光波叠加形成明暗条纹，而衍射的重点则只是光路偏折而非明暗条纹”，或者简单地说：光的干涉必然会有明暗条纹，而光的衍射则不一定。