光学基础学问大讲堂——第15期：桃乃木香奈 黑丝
重温经典：简读光插手、衍射旨趣
足球尤物如果您不是光学专科的，或者是文科生，那么您思到光的插手和衍射第一反馈应该是许多公式对不合？头好大是不是？好，那么今天咱们就不必一个公式来再行解读光的插手和衍射。 光，也叫电磁波，他的进展面貌咱们时常用正弦弧线来线路，如下图：
图1 电磁波弧线
光有许多物理参数，其中有一个如从A点到B点的长度咱们叫作念波长，波长与频率关联，即与光的情态磋磨。而光波从A点走到B点，等于走了一个波长的长度，相位刚好也改动了2π，这是最基本的学问应该不必再多作念先容。 好，接下来插手正题，咱们来望望光的插手是如何发生的。以图1为例，图中玄色和蓝色的电磁波，在空间发生插手，会发生什么？刚好插手相消；如果是蓝色和红色的电磁波发生插手，那么就会造成一个新的幅值更高的正弦波。这里就不错节略意象出2个插手需要空隙的条目：第一、振动标的疏导，如果玄色是纸面内高下振动，蓝色如果改成垂直纸面振动，那么它俩毫无关系；第二，频率疏导以及相位差恒定，只好空隙这2个条目，能力在空间中造成亮暗相间的插手条纹。 问题来了！第一个问题，前边提到的玄色和蓝色电磁波发生插手，刚好插手相消，从插手条纹来看是一派黑，即莫得任何光强，也便是意味着莫得能量了？这是不是违背了能量守恒定律？谜底诚然是不违背的。其实咱们分析的皆仅仅电场重量，而着实光的面貌是这样的，能量不仅只好电场，还有磁场的：
图2 电磁波传播面貌（向左）
好，现时分为二种情况分析刚才的插手相消：对向而行和同向而行； 先分析对向而行，集结图2和图3（传播标的相悖），如果要让插手相消，即电场矢量标的相悖，那么咱们就会发现磁场重量的振动标的是疏导的，是以电场重量插手相消，其实是把电场的能量沿途转念到磁场上去了，是以总能量依旧是守恒的。
图3 电磁波向右传播
接下来分析同向而行的情况，如果你用上头的形式套用的话，你会发现电场矢量插手相消，磁场也插手相消，能量的确消逝了？不是，原因在什么所在？继续例如子，看图语言：
图4 电磁波插手暗意图
咱们通过光学系统让光产生插手，发现时右侧半反半透镜的高下2个面总会有一个插手相消、一个插手相涨。这里需要阐述少量，当光从光疏介质入射到光密介质反射时，会有半波亏欠，即会改动π相位，从光密介质入射到光疏介质时，相位不发生变化。是以，回来一下，光插手内容不是光子的径直灭亡，而是能量的再分派！
图5 插手动态图（图片着手于集合）
前边咱们推敲了插手的旨趣，如图5所示，当2个光源到达像面的距离收支半个波长的偶数倍时，便是亮条纹；如果距离收支半个波长为奇数倍时，为暗条纹。好，接下来咱们再来看衍射是如何发生的？中学的时分咱们就学过，当光通过小孔的时分，光会发生衍射，何况孔越小，衍射风物越显着。
图 6 单缝衍射暗意图（图片着手于集合）
图7 单缝衍射旨趣图（图片着手于集合）
那么，咱们再来看衍射光的表面分析图（图7），衍射光在流程小孔AB后会朝各个标的传播，假定衍射光是平行传播的，那么到达像面的是O点，无庸赘述，到达这个点的衍射光是莫得相位差的，当然是亮条纹。接着增大θ角，显著A点衍射光和B点的衍射光达到像面Q点的光程是不一样的，是以咱们用半波带法来分割这个衍射光，即光程差为半个波长为宽度视作一个光源，那么AA1不错看作念一个子光源，A1A2不错看作念一个子光源，当然这2个光源的相位刚好相悖，即插手相消，是以跟着θ角的增大，光程差会发生变化，条纹会亮暗相间。 接下来陈说为什么孔越小，衍射越显着。反一下便是孔越大，衍射风物越不显着。衍射风物明不显着，咱们一般是用光的强度来判断。如图7，如果小孔AB不错分裂为11个半波带，那么其中10个插手相消，只剩1个还在，那么这一级应该是亮条纹，能量用面积上来清爽便是1/11；如果小孔AB只能分裂5个半波带，那么亮条纹能量面积是1/5。是以得出论断：孔越小，衍射越显着。字据这个半波带法，还不错得出另一个论断：当小孔大小不变的情况下，波长越长，被分割的半波带数目越少，当然单个半波带能量面积越大，衍射风物越显着。 单缝衍射先容终了，接下来就轮到多缝衍射了。多缝衍射显著应该是单缝衍射以及插手的集结体，是以咱们就赢得了底下这个图：
图8 多缝衍射旨趣图（图片着手于集合）
多缝衍射最经典的例子便是光栅。那咱们现时以光纤光栅为例，来望望光纤光栅是怎样责任的以及有什么用途。
图9 光栅衍射旨趣图
图9为光栅插手衍射旨趣图，把它代入到光纤中，咱们就不错简化成下图：
图10 布拉格光纤光栅旨趣（图片着手于集合）
字据上一期光纤传感中的光传输旨趣，不仅需要空隙全反射条目，何况需要空隙一定的相位条目。这个相位条目，也不错字据图9推导出来，即两束光的光程差如果波长的整数倍能力插手相涨：
由于衍射光0级和1级的光强相对大少量，是以2级以后的衍射光险些忽略不计。当取k=1时，咱们不错赢得衍射光的波长与光栅周期d和折射率、角度磋磨系。显著，如果要1级衍射光偶而在光纤中反向传输，那么色泽必须和入射色泽要平行（光纤中的相位匹配条目）。字据公式思象一下，咱们总会有那么个波长的色泽空隙这个角度后向传输，这个波长咱们就叫作念布拉格波长，这种反射式的光纤光栅也叫作念布拉格光纤光栅。这里需要再阐述下，光其实是很神奇的，各个波长的光皆会有各自的衍射光，然则由于其他波长的衍射光莫得空隙光纤传输插手相涨的条目，是以就不往1级衍射光这个标的走了，沿途往0级衍射光标的传输。 问题又来了，光纤中的光尽然不错反向传输，那衍射光一定是反向的吗？不一定，字据上头的公式，在波长一定的情况下，显著光栅周期d和角度θ成反比，是以当光栅周期d豪阔大的时分，咱们发现θ角变成正向传输了，如下图所示。传输旨趣同上，咱们相似会赢得这样个波长使得其空隙光纤中传输的条目，且这个波长传输的角度不再是在光纤纤芯中全反射，而变成了在包层中全反射，这便是包层模的模式。而包层模式的光会在很短距离内衰减损耗掉，是以在光纤的禁受端咱们赢得了除了这个波长的光信号，于是咱们也把这种光纤叫作念透射式光纤光栅，亦叫作长周期光纤光栅；而布拉格光纤光栅，即反射式光纤光栅也叫作短周期光纤光栅。
、图11 长周期光纤光栅旨趣（图片着手于集合）
图12 （a）布拉格光纤光栅反射谱;（b）长周期光纤光栅透射谱（图片着手于集合）