物理光学衍射基础定义
衍射的概念
衍射的概念衍射是物理学中的一个重要现象，指的是波在遇到障碍物或通过狭缝时发生弯曲和扩散的现象。
它是波动性质的基础，广泛应用于各个领域，包括光学、声学、电磁波等。
首先，我们来讨论光的衍射现象。
当光通过一个宽度接近其波长的狭缝时，波面会扩展并在狭缝后面形成一系列亮暗相间的夫琅禾费衍射图样。
这可以用惠更斯原理来解释，即波动理论的基本原理之一，它认为波传播时每一点都可以看作是一个次波源。
这些次波源发出的波再次相交成为一个新的波面，即新的波前。
当波通过一个狭缝时，每一个狭缝上的每个点都可以看作是次波源。
这些次波源发出的光波再次相交，产生一系列波峰和波谷。
波与波之间的干涉作用使得某些位置的光强增强，而在其他位置则减弱。
这种光强分布就是衍射图样。
衍射图样的具体形状与狭缝的宽度、光的波长以及观察位置的距离等因素有关。
衍射现象也可以通过单缝的曲线衍射图样来观察到。
当光通过一个狭缝时，狭缝的宽度应当与光的波长接近。
在观察屏幕上的图样时，可以看到中央的亮斑，两侧则逐渐减弱。
这是因为狭缝两边的次波源发出的光波会在远离狭缝的位置发生相位差，导致干涉效应，使得中央的亮斑相较较明亮。
衍射不仅发生在光波中，声波也会遵循类似的规律。
当声波通过一个狭缝时，发生的衍射现象称为声衍射。
声衍射可以解释为声波的压缩和稀疏在宽度接近波长的狭缝处发生相位差，产生波的干涉。
与光波的衍射相似，声衍射也会导致一系列亮暗相间的图样。
声衍射广泛应用于扬声器和麦克风设计中，以及音响效果的改善。
电磁波也会发生衍射现象。
当电磁波通过一个狭缝或障碍物时，会出现类似光和声波的衍射图样。
由于电磁波的波长不同，其衍射现象也有所不同。
例如，射电波的波长较长，所以可以通过建筑物等障碍物，发生大范围的衍射。
而微波的波长较短，所以衍射现象相对较小。
衍射现象的研究对于理解波动性质和波动理论的验证具有重要意义。
它不仅帮助我们解释许多现象，还在实际应用中发挥着重要作用。
例如，光学中使用的干涉仪和衍射光栅，以及声学中的声衍射测量等。
衍射和干涉的概念
衍射和干涉的概念1.引言1.1 概述概述在物理学中，衍射和干涉是光的传播中重要的现象。
它们是光波在通过障碍物或与其他光波相遇时所产生的效应。
衍射和干涉现象向我们展示了光波的波动性质，并且对我们理解光的行为具有重要的意义。
衍射是当光波通过一个孔或者遇到一个边缘时发生的现象。
当光波通过一个细小的孔时，光波会从孔中扩散出去，形成波阵面，并在背后的屏幕上产生一种细纹。
这种现象被称为衍射。
衍射的程度取决于孔的大小和光波的波长。
如果孔的尺寸和光波的波长相当，衍射效应将会很显著。
在日常生活中，我们可以通过观察太阳光穿过云彩的现象来观察到衍射的效果。
干涉是当两个或者更多的光波相遇时发生的现象。
当两个相干光波在空间中叠加时，它们的能量会相互干涉，造成一些区域的增强和其他区域的减弱。
这种干涉现象可以在两个狭缝间产生干涉条纹、干涉圆环以及其他复杂的干涉图案。
干涉的结果取决于光波的波长、波源的相对位置以及光波的相位差。
在实际应用中，干涉现象可以用于光的干涉仪、反射镜、光学薄膜等领域。
衍射和干涉的研究不仅对于物理学领域有着重要的意义，对于其他学科也具有重要的影响。
例如，它们在光学设计、太阳能利用和光学仪器等方面发挥着关键作用。
理解和应用衍射和干涉的概念不仅能够帮助我们解释自然现象，也可以为我们提供设计更高效的光学设备和技术手段的基础。
本文将详细介绍衍射和干涉的概念以及它们的重要性。
我们将探讨衍射和干涉的基本原理、特点和相关实例，希望读者通过本文的阅读能够对衍射和干涉有一个更加深入的了解，并认识到它们在科学研究和日常生活中的重要性。
接下来的章节将依次介绍衍射和干涉的概念以及它们的要点，最后通过总结和讨论对衍射和干涉进行一定的归纳和评价。
1.2文章结构文章1.2 文章结构本文将围绕衍射和干涉的概念展开详细阐述。
通过对衍射和干涉的分析，我们将深入探讨它们的概念、要点以及它们在物理学中的重要性。
本文分为三个主要部分。
第一部分是引言部分，我们将在其中概述整篇文章的主题和内容，并给出文章的目的。
高中物理：光学-光的衍射
高中物理：光学-光的衍射光的衍射是光学中的经典知识点，其在多个领域都有着广泛的应用，例如显微镜、天文望远镜等。
本文将详细介绍光的衍射的基本概念、衍射定理、夫琅禾费衍射以及常见的实验方法。
一、光的衍射的基本概念光的衍射是指光通过一个孔或者通过物体表面的缝隙后，光波会扩散成为一组新的光波，这种现象被称为光的衍射。
在光的衍射中，光波会形成一些明暗交替的区域，这些区域被称为衍射图样，其形状和孔或者缝隙的大小和形状有关。
二、衍射定理衍射定理是光学中最重要的定理之一，它是描述从一个孔或者一个光源丝的发射的光经过另一个孔或者缝隙后产生的光的波前的变化情况。
衍射定理可以用来计算衍射图案的形状，以及通过使用光的衍射图案来确定物体的大小和形状。
衍射定理的公式如下所示：sinθ = nλ/d其中，θ是衍射角，n是衍射序数，λ是光的波长，d是孔或者缝隙的宽度。
三、夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射是一种典型的衍射现象，它是一种发生在单缝或双缝上的衍射现象。
夫琅禾费衍射的衍射图样是一组纵向的亮暗条纹。
夫琅禾费衍射的公式如下所示：dsinθ = nλ其中，d是缝隙的大小，θ是衍射角，n是衍射序数，λ是光的波长。
四、实验方法实验方法是研究光的衍射现象的重要手段。
常见的光的衍射实验方法包括单缝衍射实验、双缝干涉实验、格点衍射实验等。
（1）单缝衍射实验单缝衍射实验是研究光的衍射现象的最简单的实验方法之一，它可以通过一个狭窄的孔洞使光波扩散成为一个圆形的波前来观察光的衍射现象。
（2）双缝干涉实验双缝干涉实验是研究光的干涉现象的重要实验方法，它可以通过两个狭缝使光波扩散成为一组具有干涉现象的亮暗条纹。
（3）格点衍射实验格点衍射实验是一种研究光的衍射现象的实验方法，它可以通过一个光栅来使光波扩散成为一组具有规律的亮暗条纹。
五、练习题1. 一束波长为500nm的光穿过一个宽度为0.3mm的单缝后，经过距离1m的观察屏时，其衍射图样的第五个主极大的位置距离中心线的距离是多少？参考答案：0.30mm2. 光通过一组双缝（缝距为0.1mm，缝宽为0.05mm），在距离屏幕40cm处出现了一组亮暗条纹。
《大学物理教程》郭振平主编第四章 光的衍射
第四章 光的衍射一、基本知识点光的衍射：当光遇到小孔、狭缝或其他的很小障碍物时，传播方向将发生偏转，而绕过障碍物继续前行，并在光屏上形成明暗相间的圆环或条纹。
光波的这种现象称为光的衍射。
菲涅耳衍射：光源、观察屏（或者是两者之一）到衍射屏的距离是有限的，这类衍射又称为近场衍射。
夫琅禾费衍射：光源、观察屏到衍射屏的距离均为无限远，这类衍射也称为远场衍射。
惠更斯－菲涅耳原理：光波在空间传播到的各点，都可以看作一个子波源，发出新的子波，在传播到空间某一点时，各个子波之间可以相互叠加。
这称为惠更斯－菲涅耳原理。
菲涅耳半波带法：将宽度为a 的缝AB 沿着与狭缝平行方向分成一系列宽度相等的窄条，1AA ，12A A ，…，k A B ，对于衍射角为θ的各条光线，相邻窄条对应点发出的光线到达观察屏的光程差为半个波长，这样等宽的窄条称为半波带。
这种分析方法称为菲涅耳半波带法。
单缝夫琅禾费衍射明纹条件：sin (21)(1,2,...)2a k k λθ=±+=单缝夫琅禾费衍射暗纹条件：sin (1,2,...)a k k θλ=±=在近轴条件下，θ很小，sin θθ≈, 则第一级暗纹的衍射角为 1aλθ±=±第一级暗纹离开中心轴的距离为 11x f faλθ±±==±, 式中f 为透镜的焦距。
中央明纹的角宽度为 112aλθθθ-∆=-=中央明纹的线宽度为 002tan 2l f f faλθθ=≈∆=衍射图样的特征：① 中央明纹的宽度是各级明纹的宽度的两倍，且绝大部分光能都落在中央明纹上。
② 暗条纹是等间隔的。
③ 当入射光为白光时，除中央明区为白色条纹外，两侧为由紫到红排列的彩色的衍射光谱。
④ 当波长一定时，狭缝的宽度愈小，衍射愈显著。
光栅: 具有周期性空间结构或光学性能（透射率，反射率和折射率等）的衍射屏，统称为光栅。
光栅常数: 每两条狭缝间距离d a b =+称为光栅常数。
大学物理光的衍射
汇报人：XX
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光的衍射是指光在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物继续传播的现象。
光的衍射是光的波动性的表现，与光的干涉、反射等现象一起构成了光的传播规律。
光的衍射现象在光学、物理学、天文学等领域有着广泛的应用。 光的衍射现象的发现，为光的波动说提供了有力的证据，推动了光学的发展。
单缝衍射：光通过单缝时，形成明暗相间 的条纹
双缝干涉：光通过双缝时，形成明暗相间 的条纹
薄膜干涉：光通过薄膜时，形成彩色的条 纹
光栅衍射：光通过光栅时，形成彩色的条 纹
菲涅尔衍射：光通过菲涅尔透镜时，形成 彩色的条纹
光子衍射：光子通过狭缝时，形成明暗相 间的条纹
光的衍射：光在传 播过程中遇到障碍 物时，会发生衍射 现象
衍射图样：单缝衍 射图样是明暗相间 的条纹，条纹间距 与狭缝宽度有关
单缝衍射的条纹间距与狭缝 的宽度、光的波长和观察屏 的距离有关。
单缝衍射是光的衍射现象之 一，当光通过狭缝时，会在 其后形成明暗相间的条纹。
单缝衍射的条纹亮度与狭缝 的宽度和光的强度有关。
单缝衍射的条纹形状与狭缝 的形状有关，可以是直线、
光的波动性：光 波在传播过程中 具有周期性和振 幅变化的特点。
干涉现象：当两 束或多束相干光 波相遇时，它们 在空间某些区域 会相互加强或减 弱，形成明暗相 间的干涉条纹。
双缝干涉实验： 通过双缝干涉实 验可以观察到明 暗交替的干涉条 纹，证明了光波
的波动性。
干涉条件：只有 相干光波才能产 生干涉现象，而 相干光波需要满 足频率相同、振 动方向相同和相 位差恒定等条件。
曲线或折线等。
光学仪器制造：利用 单缝衍射现象制造各 种光学仪器，如望远 镜、显微镜等。
物理光学18 光衍射基本理论
2、惠更斯-菲涅耳原理
“波前上任何一个未受阻挡的点都可以看作是一个频率 (或波长)与入射波相同的子波源；在其后任何一地点的光 振动，就是所有这些子波叠加的结果”。 可见，惠更斯-菲涅耳原理实际上认为惠更斯子波是频率 (波长)相同的相干光波，这些子波的传播服从光干涉叠加 原理。 根据惠更斯-菲涅耳原理，我们可以建立一个定量计算衍 射问题的公式，来描述单色光波在传播途中任意两个面，
P2 P4 Π
(a)
S
Σ
惠更斯-菲涅耳
索末菲(A. Sommerfeld)的定义：
P1 P3 P4 P2
Π
(b)
所谓衍射就是“不能用反射或折射来
衍射现象图
解释的光线对直线光路的任何偏离”。
2
衍射的要素及衍射问题
衍射现象中的有三项基本的要素。
(1)、由光源S发射的光波。其性质可以用光波的波长组成、 波面形状、复振幅分布等参量定量描述；
E(P)
1
4
E
S[ n
exp( jkr') r'
E
n
(exp( jkr'))d '
r'
(3)
公式(3)表明的规律称为“亥姆霍茨-基尔霍夫定理”。
E(P)是P点的电场； k是简谐波的传播数。 S是包围P点的封闭曲面。
S
P r'
E 是面元d '处电场沿
n 法线方向的变化率。
n
d '
r '是面元d '到P点的距离。
'
r0
r'
是光栏开口允许通过的波面部分。 d '是'上的面元
r '是'上的点M '到P点的距离。
物理光学光的衍射与衍射的现象
物理光学光的衍射与衍射的现象光的衍射是指光线通过一个孔或者绕过一个物体后，经过一定的传播距离后，出现明暗交替的现象。
这种现象是由于光的波动性导致的。
本文将介绍光的衍射的原理、衍射的现象以及一些典型的衍射实验。
一、光的衍射原理衍射现象是由于光的波动性而产生的，根据赛涅尔衍射原理，当光线通过一个孔或者绕过一个物体时，波前会发生弯曲，从而产生了衍射。
根据惠更斯-菲涅尔原理，任何一个波前上的每一个点都可以看成是次波的发射源，通过各个波源发射出来的次波在波前上相互叠加形成新的波前。
光的衍射与光的波长有关，波长越小，衍射现象越明显。
此外，衍射还与衍射孔的尺寸有关，如果衍射孔的尺寸小于光的波长，衍射现象也会比较明显。
二、光的衍射现象1. 单缝衍射当光通过一个细缝时，光线会向前方呈圆形扩散，并形成一系列明暗的交替带。
这种现象被称为单缝衍射。
单缝衍射的衍射角度与光的波长和衍射孔的尺寸有关。
一般情况下，衍射角度越大，衍射强度越弱，衍射带的亮度也会减弱。
2. 双缝干涉双缝干涉是指光线通过两个并排的细缝后，形成一系列明暗的条纹。
这些条纹是由光的干涉现象导致的。
双缝干涉的条纹间距与衍射角度有关，当衍射角度小于一定范围时，条纹间距较大；而当衍射角度超过一定范围时，条纹间距变小。
3. 衍射光栅光栅是由一系列平行而等间距的缝或透明光栅构成的，当光通过光栅后，会形成一系列具有规则间距的亮暗条纹。
光栅的条纹间距与光的波长和光栅的缝尺寸有关，通过调节光栅的缝宽和缝距可以改变衍射带的间距和亮度。
三、典型的光的衍射实验1. 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验是一个经典的衍射实验，在实验中，光线通过两个并排的细缝后，实验者可以观察到一系列明暗的条纹。
这个实验验证了光的波动性以及光的干涉现象，同时也揭示了光的波动性与粒子性的共存。
2. 单缝衍射实验单缝衍射实验是利用一个细缝来观察光的衍射现象，实验者可以通过调节缝的尺寸和光源的波长来观察不同条件下的衍射带。
物理原理波的干涉与衍射
物理原理波的干涉与衍射物理原理：波的干涉与衍射一、引言波动理论是物理学中重要的研究领域，涉及各种波的行为和性质。
其中，波的干涉和衍射是波动理论中的两个重要现象。
本文将着重介绍波的干涉和衍射的基本原理及其应用。
二、波的干涉1. 干涉现象的定义干涉是指两个或多个波在特定条件下相遇时发生相互作用的现象。
干涉的结果取决于波的干涉相位差。
2. 干涉的分类干涉分为等厚干涉和等倾干涉两种类型。
等厚干涉是指波通过等厚介质产生的干涉现象，如牛顿环。
等倾干涉是指波通过等倾介质产生的干涉现象，如双缝干涉。
3. 干涉的原理干涉原理基于波的叠加原理，即波的合成等于各个波的矢量和。
干涉现象的出现是因为波的相位差引起的干涉条件改变。
4. 干涉的应用（1）干涉仪：干涉仪是利用波的干涉现象测量光的性质和物体的参数的仪器。
常见的干涉仪有迈克尔逊干涉仪和杨氏双缝干涉仪。
（2）涂膜技术：干涉技术可以应用于薄膜的制备和检测，用于提高光学元件的性能。
（3）干涉图案：干涉现象产生的干涉图案可以用于制作光栅、干涉滤波器等。
三、波的衍射1. 衍射现象的定义衍射是指波通过障碍物边缘或在有限孔径中传播时，波的传播方向和波前面发生弯曲和变形的现象。
2. 衍射的原理衍射原理基于海耶-菲涅尔原理，即波传播时，每个波前上的每个点都可以看作是波源，它们产生的次波相互叠加形成新的波前。
3. 衍射的特点（1）衍射现象的出现与波的波长和传播环境有关，有利于波的传播方向的弯曲。
（2）衍射现象在光学中明显，但也存在于其他波动现象中，如声波和水波。
4. 衍射的应用（1）光学衍射：衍射可以用于测量光的波长、制备光栅、研究光学仪器的分辨率等。
（2）声学衍射：衍射可以用于声学测量、超声波成像、喇叭和扩音器的设计等。
（3）电磁波衍射：衍射在天线设计、射频识别技术等方面有重要应用。
四、干涉与衍射的区别干涉和衍射是波的两种重要现象，它们之间存在一些区别：（1）干涉是在波的传播方向上相交的两个或多个波相互作用，衍射是波通过障碍物边缘或有限孔径时发生的波的弯曲与变形。
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一旦障碍物 或孔隙的尺 寸与波长差 不多 !
衍射屏 S
观察屏
a
*
10 - 3 a
衍射屏 S L L
观察屏
*
§2－2 惠更斯-菲涅耳原理
波面：位相相同的点的轨迹。
惠更斯原理：任何时刻波面上的点都可作为球面次波的波 源；在以后的任何时刻，所有这些次波波面的包络面形成 该时刻的新波面。
所以在等式 a k K ( k )
S k 与k无关，它对每个半波带都是相同的。 rk
中，只有倾斜因子K(θk)与k有关，但相邻半波带的θk的变化甚微，因 而倾斜因子K(θk)随k的增大而缓慢减小。 所以，各个半波带在P点产生振动的振幅ak随k的增大而缓慢减小， 其相位逐个相反。
振幅矢量叠加图示：
• 半波带法求平面波衍射强度
-----衍射角.
B 半波带 半波带 A λ /2 θ
1 2 1′ 2′
a
1 2 1′ 2′
半波带 半波带
相邻两个半波带所发次波到达P点时的相位相反，因 此在P点叠加的合振幅为两者之差（相抵消）。
B θ a A λ / 2
a
B
θ
A λ / 2
• 4个半波带所发出 的次波在P点叠加 形成暗纹。
• 3个半波带所发出 的次波在P点叠加 形成亮纹。
再见！多谢合作。
t 时刻波面
· · · · ·
t+t时刻波面
波传播方向
t + t
· ·· · · · · t · · · ·· · ·
ut 平面波
球面波
应用惠更斯原理来解释光线偏离直 线传播的现象：
· a · ·
·
惠更斯-菲涅耳原理：
在惠更斯原理的基础上，菲涅耳提出：
1、波面S上所有的面元dS发出 的次波都有相同的初位相。
2、次波在P点的振动的振幅与 dS成正比，而与r成反比（球面 次波）。 3、次波在P点的振动的振幅还 ) 与θ（ (n, r）有关。 4、次波在P点的位相由光程
nr
来决定。
惠更斯-菲涅耳原理：
波面微元dS在P点产生的振动为： dS θ r 整个波面 S 在 P 的振动： S P N
K ( ) A(Q) dE C cos( kr t )dS r
K ( ) A(Q) E C cos(k r t )dS r S
菲涅耳积分
衍射 分类
菲涅耳衍射（近场衍射）：障碍物距离光源和观察 点有限远。 夫琅和费衍射（远场衍射）：障碍物距离光源和观 察点无限远。
菲涅耳衍射
a1 a1 a3 a5 ak a3 a5
ak a6 a4 a2
Ak
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
a6 a4 a2
Ak
Ak=(a1+ak)/2
Ak=(a1 –ak)/2
1 1 k 1 结果： Ak [a1 (1) ak ] (a1 ak ) 2 2
球面波各个半波带所发次波在P点的合振幅等于 第一个和最末个振幅之和或之差。
夫琅和费衍射
§2－3 菲涅耳半波带
• 菲涅耳半波带
若以 a1，a2，a3，a4，…，ak 表示各个半波带发出的次波在 P 点产生的振幅，由于相邻两个半波带所发次波到达P点时 的相位相反，k 个半波带所发次波在 P 点叠加的合振幅 可表示为： A k= a1- a2+a3- a4+…+(-1)k+1ak
S k 根据菲涅耳原理得：a k K ( k ) rk
Bk
k
rk α B0 r0 P S
k
O
R
倾斜因子K(θk)随k的增大而减小。
Bk
k
rk
α
k
O B0
R
另外，可以得到：
即
r0
P
请同学们 自 己推一下！ P100---101
S
S k R rk R r0
S k rk
光 学
第二章 光的衍射
本课内容： §2－1光的衍射现象 §2－2惠更斯－菲涅耳原理 §2－3菲涅耳半波带
§2－1 光的衍射现象
• 光的衍射：光绕过障碍物偏离直线传播 方向进入几何阴影并在空间出现光强不 均匀分布的现象。
A
S E S A
B
光波波长为 3900埃～ 7600埃之间
B
E a' a b b'