在光学上,夫琅禾费
衍射(以约瑟夫·冯·夫琅和费命名),又称远场衍射,是波动衍射的一种,在场波通过圆孔或狭缝时发生,导致观测到的成像大小有所改变,成因是观测点的远场位置,及通过圆孔向外的衍射波有渐趋
平面波的性质。
光源和观察幕离障碍物(孔或屏)均为无穷远的衍射现象。实验装置如图,S为单色点光源,放置在
透镜L1的物方焦点处,所得平行光垂直
单射到障碍物,借助于透镜L2将无穷远处的衍射
工程图移至L2的像方焦面上观察。
单缝
衍射障碍物为单狭缝,其长度比缝宽a要大得多,故可看作无穷长。由于在缝的长度方向对入射光没有限制,在该方向上不发生衍射;在垂直于缝长方向对光有限制,将发生衍射。幕上P点的强度I取决于衍射角为θ的衍射光在该点的相干叠加结果,图中为其强度分布曲线,I0为中心点O的光强。时,,强度达极大值,称衍射主极大(或中央极大)。当衍射角θ满足时,,称衍射极小。相邻两极小间有一次极大,其强度远比中央极大要小,中央极大占有
单射能量的绝大部分。
当缝宽aλ时,所有次极大和极小均向中心点O靠拢,在极限情形下缩成一点,此即
几何光学的结果。只有当缝宽a与波长λ可比拟时才能观察到明显的
衍射现象。衍射极小(或极大)的位置和间距与波长有关,对不同波长的光,除中央极大重合外,其他各级次极大均彼此分离,所以,用白光作为光源时将会得到彩色衍射
工程图。
圆孔的夫琅禾费衍射为用一个小孔来代替狭缝,当平行单色光垂直照射在圆孔上时,在
透镜上的焦平面就可以观察到圆孔的夫琅禾费衍射花样。中间是一较亮的圆斑,外围是一组同心的明环和暗环,以第一暗环为边界的中央亮斑约占整个
单射光线光强的84%,我们把这个中央亮斑叫做
艾里斑(Airy disk).
夫琅禾费衍射使用
克里斯蒂安·惠更斯奥古斯丁·菲涅耳原理,藉以把通过圆孔或狭缝的一波动分成多个向外的波动,使用透镜来有目的地衍射光的观测实验一般被用作描述这个原理。当波动通过时,波动会被衍射分成两个波动,之后以平行的角度各自行进,后面跟着进来的波动亦是如此,在观测时把屏幕放在行进路线上来看成像条纹这个方法就用到这样的原理。
当一遭到衍射的波动在最初衍射点的近场距离,在与其他波动平行下被观测到时,我们会看到
菲涅耳衍射,因为用圆孔与屏幕间距离用菲涅耳数
方程计算出的结果小于1,这方程可在观测平行波的衍射程度时用到,方程需要的
物理量为圆孔或缝隙的大小、波长以及离圆孔的距离。当距离或波长增加时,由于在圆孔或物件边缘的波动开始变得像
平面波,所以会产生夫琅禾费衍射。
观测时,会看到菲涅耳衍射所产生的圆孔成像,大小与形状会与原来的圆孔不一样,即是说边缘多少会有一些锯齿在,但是夫琅禾费衍射的成像则只有大小的改变,这是因为远场的波动比较接近平行光束及平面波的性质。
假如一光源与观察用的屏幕离衍射圆孔(可以是狭缝)足够远的话,到达圆孔及屏幕的波前可被视为准直或
平面波。
菲涅耳衍射(或近场衍射)只会在上述情况不被满足时发生,而这时就需要考虑到
单射波前的弧度。
要做到
约瑟夫·冯·夫琅和费狭缝
衍射,可以使用两块
透镜及一片屏幕。使用点状光源及准直透镜可以做出平行光束,然后这光束会通过狭缝。狭缝后会有另一块透镜,把平行光束聚焦到屏幕上作观测之用。同样的设置可用于多狭缝衍射,会造出不同的衍射条纹。
由于这种衍射数学上并不复杂,实验设置可以很准确地找出
单射单色光的波长。