惠更斯-菲涅耳原理及其发展

惠更斯-菲湼耳原理是波动光学的基本原理,是研究衍射現象的理論基础。在普通物理光学部分的教学中占据着重要的地位。闡明惠更斯-菲湼耳原理的精神实貭和它的局限性、說明它在波动光学中的地位是教学中的重要課題。本文将参照历史的順序,扼要地闡述惠更斯-菲湼耳原理及其发展,并尽可能地給予物理上的說明。(一)惠更斯-菲湼耳原理关于光的本性,在十七世紀曾經引起著名的微粒說和波动說的爭論。以惠更斯为代表的波动說,认为光是以太的波动,光的传播是以太运动的传播,而不是以太貭点的迁移。关于光     

一篇教学参考的好文章——简评“光学史上的一段佳话”

 今年第3期的《现代物理知识》上登载了黄艳华同志的“光学史上的一段佳话”。这篇文章对大学基础物理的光学教学极有参考价值,它清楚地说明一个历史事实,即菲涅耳在解释光的衍射现象时独立地提出了光的干涉原理,而不是国内外有些文章和书中所误传的那样:菲涅耳在提出如今称之为惠更斯-菲涅耳衍射原理时已经获悉杨氏干涉原理。近年来在国内的一些文章和教科书里时时出现上述的误传。例如,1999年《物理》第3期登载了题名为“托马斯杨与杨氏干涉实验”的文章,文中写道:“难怪有人说:杨是一位辛勤的播种者,而菲涅耳则是一个坐享其成的收获者”。     

模拟分析光的衍射与干涉

基于物理光学的惠更斯-菲涅耳原理及基尔霍夫积分公式,应用Matlab软件编程模拟了光的单缝衍射和双缝衍射(干涉),从而形象地给出了衍射和干涉的内在区别和联系,也为相关的光学教学设计提供了新思路.     

关于菲涅耳半波带法的若干讨论

菲涅耳把惠更斯提出的次波概念和杨氏提出的干涉原理结合起来,认为次波是相干的,建立了惠更斯-菲涅耳原理。这是从光的波动性出发关于光传播规律的普遍原理。它可以表为标量积分的形式,定量地研究衍射现象。但积分常常比较复杂。半波带法是菲涅耳提出的一种简便方法,它能够定性地分析各种衍射现象。本文将讨论由于某些教科书中阐述不够详尽或不够确切所造成的疑问,并运用半波带法对某些衍射现象作进一步的分析,最后概括地说明     

经历300年以后惠更斯原理被修正

光的波动说的奠基人惠更斯在1690年对光的传播作如下解释:[1]“某一瞬间波阵面上各点各自作为新光源,由它们发出的球面子波的包络面就是下一个波阵面.”这就是著名的惠更斯原理.1816年菲涅耳把惠更斯原理数学公式化[2],成功地解释了衍射现象.在惠更斯-菲涅耳的理论中有一个明显的不合理之处即只考虑球面子波向前传播的那一部分,不加说明地舍弃了球面子波向后传播的另一部分.300年来,物理学家一直回避这个问题,没有明确地给予回答. 在菲涅耳的理论中必须引入一个比例系数K,假定子波是以振幅1/ 、位相 /2来传播的,这在当时仅仅是为了计算上的…     

惠更斯原理

引言在物理学教学中,講到光的波動性時,總要提到惠更斯原理。在中学課程中,因限於時间,这方面不可能詳細講述,因此学生對於惠更斯原理不容易得到恰當的理解,往往對惠更斯原理期望過高,以為按其原始形式就可以用來解释有關光的波動性诸現象。其實惠更斯原理的应用,就其原始形式說,範圍是很窄的。如果說道原理對於光波的好些现象能作適當的解释的話,那是經過後人補充推廣後才能做到的。本文将扼耍地論述惠更斯原理的發展藉以说明其在光学中的地位,但不擬详述这原理的应用,更非討論整個光的波動性問題。     

单缝衍射的物质波解释

从量子力学的物质波出发,解释了光子的单缝夫琅禾费衍射现象,所得结果与波动光学中用惠更斯-菲涅耳给出的结论一致,且此方法有利于学生对量子力学中波函数的概念和统计意义的理解．     

狭缝宽度对双缝后光场分布的影响

双缝光叠加的内容是波动光学中的重要组成部分,其后场是单缝菲涅耳衍射与双缝干涉综合作用的结果,难以得到精确的解析表达。本文基于波动光学中的惠更斯-菲涅耳原理,通过Matlab数值计算获得了不同双缝之后的光场分布。结果表明狭缝的宽度对其后叠加光场分布的影响很大。对于不透光部分为5.0mm的等宽双缝,当缝宽与入射光波长数量级相同时,其后轴线附近的光场可近似为杨氏双缝干涉结果;当缝宽比入射光波长大1～2个数量级时,其后场可近似为单缝夫琅禾费衍射修正的杨氏双缝干涉结果;而当缝宽比入射光波长大3个数量级以上时,后场表现为明显的直线传播特性。只有在宽度适当的双缝之后才出现典型的光栅衍射图谱,而且两缝宽度之间的差异将使得反衬度γ降低,导致条纹模糊。     

康托集类光栅衍射实验研究

衍射光栅它在当今信息时代是一种不可或缺光学元件,特别是在光谱学、激光工艺、光学信息处理、光通信等许多领域中都有着十分重要的应用。本文以康托集分形光栅为研究对象,自行设计并观察了康托集分形光栅三个阶段的夫琅和费衍射现象,根据惠更斯．菲涅耳原理,讨论了一维康托集分形光栅的夫琅和费衍射光强分布特性。     

用实函数直接计算光栅衍射的光强分布

给出了依据惠更斯-菲涅耳原理,用实函数积分直接导出光栅衍射在光屏上任一点的合振动的表达式以及光强分布函数的方法.     

波带片的衍射(一)

一、引言 菲涅耳波带片①的衍射,揭示了利用衍射原理制造成像元件的可能性.然而由于制作上的困难、衍射效率低及存在多级像等原因,长期以来它没有得到很快的发展及实际应用.60年代以来全息透镜的研制和应用,使波带片在光学教学中占有了新的地位.但是,菲涅耳波带片为什么存在多个焦点?各焦点的位置和强度怎样?波带片与普通透镜的成像原理有何不同?这些问题在一般的光学教材中尚未见有严密而易于为大学生所接受的数学论证.本文从菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式出发,经过恰当的近似处理,求出了波带片沿轴线上的衍射场分布,然后对上述问题进行了讨…     

小波分析在光学信息处理中的应用

用小波变换分析惠更斯-菲涅耳原理,为小波光学理论描述理论基础．运用该理论,对光学系统的空域滤波、空频域滤波现象进行分析,其中小波在空域滤波以空间可变处理为例,小波在空频域滤波以匹配滤波为例,波前滤波则以夫琅和费单缝、圆孔等为例,分析了小波变换在光学领域处理问题的可行性,初步建立了小波光学的理论框架. 关键词：     

带圆锥透镜的非稳贝塞尔光学谐振腔

研究了由圆锥透镜和凸面镜组成的非稳贝塞尔光学谐振腔. 利用几何光学原理,讨论了非稳贝塞尔谐振腔中光线传输的ABCD矩阵和腔内光线实现自再现的条件.从波动光学角度出发,利用惠更斯-菲涅尔衍射积分方程导出了谐振腔两镜面处光场的迭代方程,并通过数值模拟得到了凸面镜曲率半径不同时零阶贝塞尔光束在输出镜面上的光强分布.     

部分相干空心光束在湍流介质中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理，得到了相干度为零阶贝塞耳函数的部分相干空心光束在湍流介质中传输特性的理论公式.据此研究了这种光束在湍流介质中的传输变化规律.研究结果表明，湍流介质的强弱，光源的相干性以及光源光斑大小均会影响光束的传输特性.     

旋转矢量法在夫琅禾费衍射中的应用

应用简谐振动的旋转矢量表示法, 将波动光学夫琅禾费衍射中复振幅叠加转换成旋转矢量的合成, 并 针对夫琅禾费单缝衍射和圆孔衍射的各级暗纹中心的衍射角和其在衍射屏上的位置进行了求解. 相对于传统的基 于惠更斯 菲涅耳公式的解析计算方法, 基于旋转矢量合成的方法更为直观, 对数学知识的需求相对较少, 同时对 大学生学习和理解夫琅禾费衍射以及其他波动光学问题具有一定的借鉴意义     

高斯光束菲涅耳圆孔衍射轴上的光强分布

本文从惠更斯－菲涅耳原理的数学表达式出发，在菲涅耳圆孔衍射的情况下求出了高斯光束入射时轴上光强分布的解析表达式，并对比平面波和球面波入射的情况进行了分折讨论．     

用菲涅耳半波带法计算屏障的声插入损失

本文以惠更斯-菲涅耳衍射原理为基础,运用菲涅耳半波带叠加的概念,给出了在一半无限大薄屏后球面波的衍射声场中接收点的声压幅值的近似表达式,并推广至声屏障为一尖劈或一个三边厚障板的情况,得到了屏障声插入损失的一种新的计算方法,称为菲涅耳半波带法。理论计算值与实验结果符合较好,表明该方法可应用于噪声控制工程中。     

关于“放射性矿物的探測”一文中的几个问題

物理通报1956年8月号刊載了“放射性矿物的探测”一文,其中有关探测器的原理的某些说明,我认为需要进一步予以补充和說明。虽然原作者主要是闡明放射性矿物的探測問題,但作者用了相当多的篇幅来講述探测器的原理     

部分相干涡旋光束在湍流大气中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,推导了部分相干涡旋光束在湍流介质中传输时光强分布情况的理论公式,详细研究了部分相干涡旋光束在湍流介质中的传输变化规律。研究结果表明,湍流介质的强弱,光源的相干性以及光束所带拓扑电荷数大小均会影响光束传输特性。     

菲涅耳-基尔霍夫积分与半波带法分析衍射光谱

惠更斯菲 涅耳原理指出光的衍射本质是无穷多次波的相干叠加.在研究衍射光谱的强度时可使用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分进行计算,但该积分的计算较为复杂.为了简化计算而引入菲涅耳半波带的概念,把积分运算简化为振幅矢量的叠加,从而在研究衍射时由菲涅耳-基尔霍夫衍射积分过渡到菲涅耳半波带法.在菲涅耳半波带法中波前上相邻两个半波带到达叠加点的光程差为半个波长,从而导致相位差π.因此相邻两个半波带引起的振动在叠加点发生相消,最终叠加点的光强由发出次波的半波带数目的奇偶性决定.奇数个半波带在叠加点的光强得到加强,偶数个半波带在叠加点的光强发生相消.