[科普中國]-衍射條紋

衍射

衍射（英語：diffraction）是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象。

在經(jīng)典物理學(xué)中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物后會發(fā)生不同程度的彎散傳播。假設(shè)將一個障礙物置放在光源和觀察屏之間，則會有光亮區(qū)域與陰晦區(qū)域出現(xiàn)于觀察屏，而且這些區(qū)域的邊界并不銳利，是一種明暗相間的復(fù)雜圖樣。這現(xiàn)象稱為衍射，當(dāng)波在其傳播路徑上遇到障礙物時，都有可能發(fā)生這種現(xiàn)象。除此之外，當(dāng)光波穿過折射率不均勻的介質(zhì)時，或當(dāng)聲波穿過聲阻抗（acoustic impedance）不均勻的介質(zhì)時，也會發(fā)生類似的效應(yīng)。在一定條件下，不僅水波、光波能夠產(chǎn)生肉眼可見的衍射現(xiàn)象，其他類型的電磁波（例如X射線和無線電波等）也能夠發(fā)生衍射。由于原子尺度的實際物體具有類似波的性質(zhì)，它們也會表現(xiàn)出衍射現(xiàn)象，可以通過量子力學(xué)進行研究其性質(zhì)。1

在適當(dāng)情況下，任何波都具有衍射的固有性質(zhì)。然而，不同情況中波發(fā)生衍射的程度有所不同。如果障礙物具有多個密集分布的孔隙，就會造成較為復(fù)雜的衍射強度分布圖樣。這是因為波的不同部分以不同的路徑傳播到觀察者的位置，發(fā)生波疊加而形成的現(xiàn)象。

衍射的形式論還可以用來描述有限波（量度為有限尺寸的波）在自由空間的傳播情況。例如，激光束的發(fā)散性質(zhì)、雷達天線的波束形狀以及超聲波傳感器的視野范圍都可以利用衍射方程來加以分析。

光的衍射光在傳播路徑中，遇到不透明或透明的障礙物或者小孔（窄縫），繞過障礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射。衍射時產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)，叫衍射條紋。包括：單縫衍射、圓孔衍射、圓板衍射及泊松亮斑。

產(chǎn)生衍射的條件是：由于光的波長很短，只有十分之幾微米，通常物體都比它大得多，但是當(dāng)光射向一個針孔、一條狹縫、一根細絲時，可以清楚地看到光的衍射。用單色光照射時效果好一些，如果用復(fù)色光，則看到的衍射圖案是彩色的。

任何障礙物都可以使光發(fā)生衍射現(xiàn)象，但發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是“苛刻”的。2

當(dāng)障礙物的尺寸遠大于光波的波長時，光可看成沿直線傳播。注意，光的直線傳播只是一種近似的規(guī)律，當(dāng)光的波長比孔或障礙物小得多時，光可看成沿直線傳播；在孔或障礙物可以跟波長相比，甚至比波長還要小時，衍射就十分明顯。由于可見光波長范圍為m至m之間，所以日常生活中很少見到明顯的光的衍射現(xiàn)象。

單縫衍射單縫衍射是光在傳播過程中遇到障礙物，光波會繞過障礙物繼續(xù)傳播的一種現(xiàn)象。如果波長與縫、孔或障礙物尺寸相當(dāng)或者更大時，衍射現(xiàn)象最明顯。

單縫衍射明暗條紋位置的計算公式為：

a為單縫寬度，x為光波匯聚點距中心位置，f為焦距，為波長。

超聲光柵實驗超聲波在透明媒質(zhì)中傳播時，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時間和空間上的周期性變化，導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也作相應(yīng)的變化。若聲光作用距離L較小，光波通過時，介質(zhì)折射率的空間周期性變化性質(zhì)可近似認為是時間不變的，其位相受到的調(diào)制，如同經(jīng)過一個正弦位相光柵，稱為超聲光柵。正弦位相光柵與普通平面矩形光柵的衍射主極大滿足類似的光柵方程，但它們衍射條紋強度分布的規(guī)律不同，缺級現(xiàn)象的規(guī)律也不相同。另外，超聲光柵是一種動態(tài)光柵，其衍射譜線的頻率將發(fā)生相應(yīng)的改變。

根據(jù)的研究結(jié)果，可將超聲光柵與普通的平面矩形光柵作如下對比:

（1）衍射主極大滿足類似的光柵方程，但衍射條紋強度分布的規(guī)律不同;

（2）都能產(chǎn)生缺級現(xiàn)象，但規(guī)律不同。當(dāng)譜線的相對強度等于零時，超聲光柵便產(chǎn)生9級主極大缺級現(xiàn)象。正弦位相光柵的這種可控制的缺級現(xiàn)象在光計算及信息處理中具有重要的應(yīng)用!s爪

（3）超聲光柵是一種動態(tài)光柵，衍射譜線的頻率將發(fā)生改變。對行波超聲光柵，各級譜線產(chǎn)生了相應(yīng)的頻移;對駐波超聲光柵，各級譜線是含有多種頻率的復(fù)合光。3