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光学 · 干涉、衍射与傅里叶光学
对标:Hecht Optics 主干 | 前置:em-02、数分 IV(Fourier) 光是电磁波(em-02 已证),本页收割波动性的三大现象:干涉(叠加 + 相位差)、衍射(障碍即源——Huygens)、以及现代视角的总纲——远场衍射 = 傅里叶变换:透镜是一台光学 Fourier 变换器。
学习层:先预测,孔径怎样写出远场?
1. 先做两个预测
把一个一维孔径送入远场。先不要看下面的揭示,预测:
- 把缝宽变窄,单缝衍射包络的中央主瓣会变宽、变窄,还是不变?若图像按峰值归一化,透过的总功率是否也不变?
- 保持缝宽不变而增大双缝中心距,干涉条纹在无量纲频率坐标上的间距会变大、变小,还是不变?单缝包络会不会跟着移动?
实验台先要求提交这两个判断,提交前不会显示答案。然后切换单缝、双缝和光栅,分别看孔径透射与远场强度怎样对应。
2. 一个不藏量纲的标准模型
取参考长度 \(a\),把孔径坐标和观察坐标写成
\(\xi\) 与 \(u\) 都是无量纲的;实验中的横轴明确标成 \(\xi=x/a\) 和 \(u=(a/\lambda)\sin\theta\)。令单缝宽度为 \(wa\)、相邻缝中心距为 \(da\),并以孔径中心为相位原点。采用归一化的复场振幅 \(A(0)=1\):
这里的 \(A\) 是复振幅,不是亮度;探测器读到的是 \(I(u)/I(0)=|A(u)|^2\)。对称孔径让本实验的相位参考下 \(A\) 恰为实数,但这不等于“振幅和强度是同一个量”。光栅阵因子在 \(\sin(\pi du)=0\) 处取可去奇点的极限;阵因子主极大位于 \(u=m/d\),但每个峰仍乘着有限缝宽的 sinc 包络。
3. 动手:从透射函数到强度
下面的实验台画出同一组参数的孔径透射 \(t(\xi)\) 与远场归一化强度 \(I(u)/I(0)\)。先提交预测,再缩窄 \(w\)、增大 \(d\),最后提高光栅缝数 \(N\)。注意:归一化强度便于比较形状;真实的窄缝还会减少通光量。
无 JavaScript 时的静态读法:使用无量纲坐标 \(\xi=x/a\)、\(u=(a/\lambda)\sin\theta\)。矩形单缝给出 \(A_1=\operatorname{sinc}(\pi wu)\);双缝在同一有限缝宽包络上乘 \(\cos(\pi du)\);\(N\) 缝再乘 \(\sin(N\pi du)/(N\sin(\pi du))\),在分母为零处使用连续极限。强度始终是 \(|A|^2\),不是 \(A\) 本身。变窄缝会让包络变宽但降低未归一化通光量;增大中心距会让条纹间距 \(\Delta u=1/d\) 变小,而不会移动单缝包络。光栅的 \(u=m/d\) 是阵因子主极大,是否显眼还由 sinc 包络决定。
4. 假设与边界
- 这是单色、相干、同偏振、均匀照明下的一维标量夫琅禾费模型。自由传播的远场要求 \(L\gg B^2/\lambda\),\(B\) 是包含所有缝的总孔径宽度。它忽略矢量边界条件、像差、噪声和有限探测器;缝宽接近或小于波长时不能仅靠此标量模型预测实际透射。
- \(u\) 是数学频率坐标;实际传播角还需 \(|u|\le a/\lambda\)。把整段 \([-9,9]\) 都解释为传播角,至少要 \(a/\lambda\ge9\);若进一步用屏上位置 \(y\simeq L\lambda u/a\),需更强的近轴条件 \(|\lambda u/a|\ll1\)。实验没有指定 \(a/\lambda\),不把全图自动当作某套装置的可观测角域。
- 在本模型的不重叠缝内 \(t=1\),均匀入射时通光量正比于 \(\int|t(\xi)|^2d\xi=Nw\)。按轴上强度归一化只是去掉了幅度尺度,并没有保持总功率。
- “分辨率”不能只由一条公式决定。圆孔的 \(1.22\lambda/D\) 是常用的 Rayleigh 判据约定,不是所有仪器、噪声和算法都必须服从的唯一边界;一维缝的零点宽度也不要直接冒充圆孔 Rayleigh 数。
- 4f 系统在频率面上做的是乘以传递函数 \(H(u)\):滤波能改变对比度、平滑或增强边缘,但被挡掉的频率没有被恢复,因此滤波不等于超分辨。本实验不加入会暗示“恢复缺失频率”的透明滤镜。
1. 干涉:相位差记账
两束相互完全相干、同频且同偏振的波叠加:\(I = I_1 + I_2 + 2\sqrt{I_1I_2}\cos\delta\)(【推导】复振幅相加取模方——交叉项即干涉项;\(\delta\) = 相位差 = \(\frac{2\pi}{\lambda}\times\)光程差)。
相位若随测量时间随机漂移,需要先取时间或系综平均;干涉项由互相干函数决定。同频本身不保证固定相位差。两束线偏振互相正交时,电场点积为零,即使同频相干也没有这里的强度交叉项。
下文用 \(b=wa\) 表示实际缝宽、\(D_s=da\) 表示实际中心距,避免把参考长度 \(a\) 误当成缝宽。
杨氏双缝:光程差 \(D_s\sin\theta\) ⇒ 亮纹 \(D_s\sin\theta = m\lambda\)——条纹间距 \(\Delta y = \frac{\lambda L}{D_s}\):用尺子量出光的波长(1801 年波动说的定音锤;qm-01 将让电子重演此实验——那是量子力学的开幕式)。
薄膜干涉:上下表面反射光的传播光程差为 \(2nt\cos\theta_t\),还需计入两界面的反射相位。在普通无吸收介质的正入射情形,低折射率向高折射率界面反射使电场相位跳 \(\pi\);斜入射需分 s/p 偏振使用 Fresnel 系数,全反射更不能只套这条二选一规则。
四分之一波长增透膜给出一个可算例:正入射、设计真空波长 \(\lambda_0\)、介质折射率依次为 \(n_0,n_1,n_2\),选 \(t=\lambda_0/(4n_1)\) 只解决传播相位条件。要让总反射振幅严格为零,还须 \(n_1^2=n_0n_2\)。用 \(r_{ij}=(n_i-n_j)/(n_i+n_j)\),薄膜反射振幅为
四分之一波长令 \(e^{2i\delta}=-1\),再令 \(r_{01}=r_{12}\) 才得到零反射。比如空气 \(n_0=1\)、玻璃 \(n_2=1.5\),理想膜需 \(n_1=\sqrt{1.5}\);其他波长、角度或折射率失配一般有剩余反射。薄膜相位与实例可作对照。
Michelson 干涉仪:分振幅双臂的光程差转成相位差,再用干涉强度读出微小位移;引力波探测使用其扩展结构,见 引力波。
相干性一嘴:实际光源有限相干长度/时间(谱宽的 Fourier 对偶 \(\Delta\tau\,\Delta\nu \sim 1\)——数分 IV 不确定性关系的光学版)——白光条纹只有零级附近可见的原因;激光的长相干性使全息成为可能。
2. 衍射:Huygens–Fresnel 与两大标准像
原理:波前每点是次波源,后续波场 = 次波相干叠加(Kirchhoff 给出严格积分表述【引用】)。
单缝夫琅禾费衍射【推导】:缝内各点次波在角 \(\theta\) 方向的相位差连续分布,令 \(q=2\pi\sin\theta/\lambda\),先积分振幅:
再取模平方并用轴上强度 \(I_0\) 归一化:
暗纹 \(b\sin\theta=m\lambda\),其中 \(m=\pm1,\pm2,\ldots\),\(m=0\) 是中央亮峰。首零点存在于传播角域还需 \(\lambda/b\le1\);在 \(\lambda/b\ll1\) 时中央主瓣角宽 \(\simeq2\lambda/b\)——缝越窄、散得越开(Fourier 对偶的物理宣言,§3 点题)。
圆孔与分辨率约定:Airy 斑第一暗环 \(\theta \approx 1.22\frac{\lambda}{D}\);把两点刚好可分辨取在“一个峰对准另一个的第一暗环”是常用的 Rayleigh 判据。它是可沟通的判据,不是脱离像差、噪声、采样和重建方法的唯一分辨率定律;超分辨方法也不能被这一个数字概括。
光栅:\(N\) 缝干涉 × 单缝衍射包络——阵因子主极大满足 \(D_s\sin\theta = m\lambda\),峰会随 \(N\) 增多而变窄,但有限缝宽的包络仍决定哪些级次能看见:这才是光谱仪的理想化骨架(atom-01 的谱线测量靠它)。
3. 傅里叶光学(现代总纲)
定理(标量夫琅禾费衍射 = Fourier 变换)【骨架】 在上述远场条件下的复振幅
——孔径函数的 Fourier 变换(Huygens 积分在远场近似下的直接形态)。单缝 → sinc、双缝 → 余弦调制、光栅 → 梳状谱:§1–2 的理想结果都来自这一个积分,而不是把复振幅直接当作强度。
推论(透镜把频谱搬到焦面):在相干标量、薄透镜和近轴近似下,透镜后焦面得到入射场乘有限瞳函数的 Fourier 变换,另有传播常数与约定相关的相位因子——焦面上可读出物的空间频谱;4f 系统在此用传递函数做空间滤波,低通可平滑、高通可强调边缘,但遮挡就是乘法意义上的信息丢失,不能凭空恢复被挡的频率,也不自动带来超分辨。阿贝成像理论把显微镜的可收集最高空间频率与分辨率联系起来,是 Rayleigh 约定的频域视角之一。
🔗 对账:图像的频域直觉(ai/comfy 课里潜空间、低频构图/高频细节的语言)在光学里是物理实体——"高频=细节"这句话最初是焦面上看得见摸得着的光斑位置。
4. 练习与要点
例 1(双缝手算) \(\lambda = 633\) nm(氦氖激光)、\(D_s = 0.1\) mm、屏距 2 m:条纹间距 \(\Delta y = \frac{\lambda L}{D_s} \approx 12.7\) mm——桌面可见;换白光则各色条纹错开成彩带(零级白色居中)。
例 2(分辨极限估算) 人眼瞳孔 3 mm、\(\lambda = 550\) nm:\(\theta \approx 1.22\lambda/D \approx 2.2\times10^{-4}\) rad——10 m 外分辨 ~2 mm:视力表的物理设定;同式算哈勃(\(D = 2.4\) m)角分辨 \(\sim 0.05''\)。
例 3(有限低通不等于只剩常数) 焦面上的有限小孔保留一段低频,输出通常是平滑而仍有空间变化的场。只有在离散周期模型中仅保留零频系数,才严格得到常数场;连续模型中孔径缩到零还会使通光量趋零。中心挡片可抑制缓变背景,但“暗背景亮边缘”取决于样品与滤波器;相衬成像还会改变相位关系,不能与简单遮挡等同。
5. 迁移练习:检查相位、尺度与遗漏级次
- 保持 \(a,\lambda,d,N\) 不变,将 \(w\) 减半。单缝包络首零点、阵因子级次间距、未归一化通光量分别如何变化?
- 光栅取 \(w=0.5,d=1.5\)。第几级阵因子主极大第一次落在单缝包络零点上?它还会成为明亮谱峰吗?
- 两束同频且稳定相位的光偏振正交,为何公式中的 \(2\sqrt{I_1I_2}\cos\delta\) 不能直接使用?
- 空气—膜—玻璃的折射率是 \(1,1.3,1.5\)。膜厚取 \(\lambda_0/(4\times1.3)\) 后,在设计波长能否严格零反射?
核对答案与判分要点
- \(|u_1|=1/w\) 加倍;\(\Delta u=1/d\) 不变;\(Nw\) 减半。轴上归一化强度始终为 1,不能由此推断功率不变。
- 首包络零点 \(u=2\),阵因子级次 \(m=du=3\),所以正负三级缺级。两因子必须相乘;单独查阵因子极大不够。
- 正确交叉项含偏振矢量的内积,正交时为零。若加一片分析器把两束投影到同一偏振方向,才可能重新看到干涉,并同时改变各束强度。
- 不能,因为 \(1.3^2=1.69\ne1.5\)。此时 \(r=(1\times1.5-1.3^2)/(1\times1.5+1.3^2)\approx-0.05956\),反射率 \(R=|r|^2\approx0.00355\),约 \(0.355\%\)。相位合适与振幅匹配缺一不可。
先修回链:电磁波、Fourier 级数;后续:光谱与成像实验。
继续学习:热力学,从宏观能量与熵建立多粒子系统的描述。