光的干涉与衍射的研究论文

衍射是绕过障碍物（孔、缝）而传到障碍物背面的现象。干涉是相同频率的两列波有稳定的加强区与减弱区。比如薄膜干涉。干涉、衍射现象的发生是证明光是一种波的著名实验。至于解释光的衍射，就是因为光是波，所以能发生衍射。

早在17世纪，意大利的格里马第（—1663）就发现了光的衍射现象.在点光源照明下，如果在狭窄的光束路径上放置一物体，那么在置于其后的屏幕上就不是轮廓分明的影子，其影子不但比较模糊而且沿着影子边缘还出现彩带.格里马第称这种现象为“衍射”.后来，英国科学家胡克（—1703）也观察到类似的现象，但他们都未能对衍射现象作出正确的解释.�最先对光的衍射现象作出正确解释的是法国工程师奥古斯汀·菲涅耳（Augustin Fresnel,1788—1827）.他1806年从巴黎工科学校毕业，后来又在巴黎桥梁与道路专科学校学习三年，毕业后从事道路修理工作，当了八年工程师，由于他在光学研究方面崭露头角，菲涅耳就专门从事科学研究，自1814年开始，研究光的干涉和衍射现象.当时他并不知道英国科学家托马斯·杨（Thomas Young，1773—1829）的工作，但与杨氏一样，他把这些现象看作是光的波动说的证据.�1817年法国科学院举办了一次科学竞赛，要求参加者用精确的实验来演示光的全部衍射效应，并建立相应的理论.菲涅耳决定参加这次竞赛，他写了一篇叙述自己研究工作的论文，并于次年交给科学院.菲涅耳做过一系列光的衍射实验，他更精细地演示了格里马第的发现，在光源发出的光束照明下，一根细丝的影子内会出现明暗相间的光带.他用小孔实验证实，只要小孔的直径小到可以与光的波长相比拟时，光束通过小孔就能产生圆孔衍射图样，那是一圈一圈明暗相间的同心圆.他还演示了光通过圆屏、锐利的直边（例如刀口）、狭缝障碍时所产生的衍射效应.�在1818年应征论文中，菲涅耳在介绍他所进行的各种光的衍射实验的基础上，提出了今天被称为惠更斯—菲涅耳原理的新学说.惠更斯认为，在给出的ｔ时刻的波阵面可以看成是全部球面波的包络面，而在前一时刻ｔ０的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源.菲涅耳改进了惠更斯原理，并在此基础上建立了自己的理论.他认为，在ｔ时刻空间某一点的光波的幅值可以看成是所有球面波相干的结果，而在前一时刻ｔ０的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源.�菲涅耳根据这一原理研究了各种衍射现象，并创造了一种数学方法（菲涅耳波带法），定量计算了这些情况下衍射带的分布.他研究了光通过小孔的情形，并计算出在位于这个小孔后面的屏上应看到什么样的图样.根据他的计算，如果光是单色的，在屏上应看到一些明暗交替的环，菲涅耳计算出这些环的半径取决于孔的大小、光源到小孔的距离和小孔到观察屏之间的距离.�菲涅耳根据波动说还论述了各种不同衍射孔的光衍射的其他情形，并计算了衍射条纹的分布，菲涅耳的所有计算都与实验结果相符.�科学院成立了专门评比委员会来审议应征的所有论文.该委员会的成员都是当时法国有名的学者，他们是阿拉果（－1853）、泊松（－1840）、毕奥（，1774－1862）、拉普拉斯（，1749－1827）和盖·吕萨克（－1850）,其中泊松、毕奥和拉普拉斯都是相信光的微粒说的，而盖·吕萨克持中立态度.因此委员会不可能轻易相信菲涅耳的研究工作，但菲涅耳的计算结果与实验数据出色地符合，以致无法否定菲涅耳的论文，最后不得不授予他奖金.其中还发生了一件有趣的事情，评比委员会成员泊松看了菲涅耳的计算后发现，根据这些计算会得出一个难以置信的结论：在一个图片的阴影中应当出现一个亮点.但是迄今为止谁也不曾观察到这一情景，看来这是绝对不可能的．泊松提出这个问题想以此来驳倒菲涅耳的波动说.�菲涅耳面临这一严重考验，他的理论正确与否，必须用实验来检验.菲涅耳的理论指出，只有当图片的半径很小时，这个亮点才明显，于是他又做了一次实验，结果真的得到泊松所提到的亮点，这充分证明了菲涅耳波动理论的正确性，后人戏剧性地称这个亮点为泊松亮点（或称泊松亮斑）.因此，人们常常把菲涅耳提出的衍射理论及其实验证明，作为他对波动光学的第一大贡献.�菲涅耳的成就对光的微粒说的信奉者是一大震动，使毕奥、拉普拉斯、泊松等拥护微粒说的知名学者也无言对答；而阿拉果在这一成就的感召下改信波动说了.�在这一时期，德国的夫琅和费（—1826）也对衍射现象进行了研究，但他与菲涅耳的研究不同，理论也更简单.菲涅耳演示的衍射实验，其光源和屏距衍射孔都不是无限远，因而对衍射孔都有一个张角．而夫琅和费研究衍射现象，将望远镜对准狭缝光源，并让狭缝成像在目镜的焦平面附近，这样入射光与出射光都是平行光，可以认为光源和光屏距衍射孔是无限远.我们把这种方式产生的衍射称为“夫琅和费衍射”，而前者称“菲涅耳衍射”.可以看出，夫琅和费衍射是菲涅耳衍射的一种极限情形，而且数学上更容易处理.�当然，菲涅耳的理论也不无缺点，菲涅耳开始把光波看作纵波，不能解释光的偏振，因此竭力回避这些问题.一直到马吕斯（—1812）发现了光的偏振现象后，菲涅耳才根据杨氏的提议把光看成是横波，这样不仅完善了光的波动说，而且由此出发，解释了光的偏振现象，完成了他对光偏振的一系列研究，这是他对波动光学的又一贡献.菲涅耳于1823年被选为巴黎科学院院士，1825年又被选为伦敦皇家学会会员，遗憾的是，菲涅耳卓有成就的一生太短暂了，他只活了39岁，于1827年因患肺病，在巴黎附近的乡间逝世.�还有一事值得一提，杨氏与菲涅耳先后都对波动光学作出了重要贡献，但他们之间并无激烈的优先权之争，他们之间的关系是友好与谦恭的.菲涅耳在1816年给杨氏的信中说道：“如果有什么能够安慰我没有获得优先权的利益的话，那就是：对我来说我遇到了以如此大量的重要发现丰富了物理学的学者，同时他大大地有助于加强对于我所采用的理论的信心”.而杨氏在1819年给菲涅耳的信中写道“先生，我为您赠送令人敬羡的论文表示万分感谢，在对光学进展最有贡献的许多论文中，您的论文确实也是有很高的地位的。”

光的衍射和干涉其实本质上是一回事，都是若干相干光线的相干叠加。只不过，干涉是有限条光线的相干叠加，可以直接代数相加。衍射是无限条光线的叠加，必须积分计算。1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉．两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（Diffraction of light）。 光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。

区别：

1、光的衍射现象是光波遇到障碍物时偏离直线传播，在屏幕上出现光强分布不均匀的现象，只有当遇到与波长差不多的障碍物或孔时，才会出现明显的干涉现象。

2、光的干涉现象是两列或多列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域始终减弱，形成的稳定的强弱分布的现象，干涉产生的条件是波的频率相同，振动方向一致，相位差恒定。

光是一种电磁波，当一束光通过有孔的屏障以后，其强度可以波及到按直线传播定律所划定的几何阴影区内，也使得几何照明区内出现某些暗斑或暗纹。

总之，衍射效应使得障碍物后空间的光强分布既区别于几何光学给出的光强分布，又区别于光波自由传播时的光强分布，衍射光强有了一种重新分布。

扩展资料：

当光孔线度远远大于光波长λ时，衍射效应很不明显，近似于直线传播。当光孔线度逐渐变小，衍射效应逐渐明显，在远处便出现亮暗分布的衍射图样。当光孔线度小到可以同光波长相比拟时，衍射效应极为明显，衍射范围弥漫整个视场，过渡为散射情形。

当狭缝很宽时，缝的宽度远远大于光的波长，衍射现象极不明显，光沿直线传播，在屏上产生一条跟缝宽度相当的亮线。

但当缝的宽度调到很窄，可以跟光波相比拟时，光通过缝后就明显偏离了直线传播方向，照射到屏上相当宽的地方，并且出现了明暗相间的衍射条纹，纹缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽。但亮度越来越暗。