4: 衍射
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在上一章中，我们隐含地将狭缝视为有位置但没有大小的对象。 缝隙的宽度被认为可以忽略不计。 当狭缝的宽度有限时，开口沿线的每个点都可以被视为点光源，这是惠更斯原理的基础。 由于现实世界中的光学仪器必须具有有限的光圈（否则，光无法进入），衍射在我们解释这些光学仪器输出的方式中起着重要作用。 例如，衍射限制了我们解析图像或物体的能力。 这是我们将在本章后面研究的问题。
- 4.1: 衍射前奏
- 根据惠更斯的原理，我们可以想象波锋相当于无限多的点波浪源。 因此，来自狭缝的波浪不能表现为一个波浪，而是无限数量的点源。 这些波可以相互干扰，从而在没有第二条狭缝的情况下形成干扰模式。 这种现象称为衍射。
- 4.2: 单缝衍射
- 衍射可以在开口或其他障碍物的边缘发出波浪。 单个狭缝会产生干涉图案，其特征是中心最大值较宽，两侧最大值较窄且较暗的最大值。
- 4.3：单缝衍射中的强度
- 单个狭缝引起的衍射强度模式可以使用相量计算\(\beta = \frac{\phi}{2} = \frac{\pi D \space sin \space \theta}{\lambda}\)，其\(I = I_0 \left(\frac{sin \space \beta}{\beta}\right)^2,\)中 D 是狭缝宽度，λ是波长，β 是距中心峰的角度。
- 4.4: 双缝衍射
- 对于宽度有限的真实狭缝，干涉和衍射的效果同时起作用，形成复杂的强度图案。 可以确定衍射图案中干涉条纹的相对强度。 当干涉最大值和衍射最小值位于一起时，就会出现阶数缺失。
- 4.5: 衍射光栅
- 衍射光栅由大量间隔均匀的平行狭缝组成，这些缝隙产生的干涉图案与双缝相似，但比双缝更清晰。 当\(d \space sin \space \theta = m \lambda\)形态 = 0、± 1、±2、... 时，就会发生构造干扰，其中 d 是狭缝之间的距离，β 是相对于入射方向的角度，m 是干扰的阶数。
- 4.6: 圆孔径和分辨率
- 光线在空间中移动时会衍射，绕过障碍物弯曲，产生建设性和破坏性的干扰。 它可以用作光谱工具——例如，衍射光栅根据波长分散光线，用于产生光谱——但衍射也会限制我们在图像中获得的细节。衍射在许多情况下限制了分辨率。 我们的视力受到限制，因为光线会穿过瞳孔，这是眼睛的圆形孔径。
- 4.7: X 射线衍射
- 由于 X 射线光子的能量很高，因此它们的波长相对较短。 因此，典型的 X 射线光子在遇到宏观物体（如牙齿）时就像射线一样起作用，并产生尖锐的阴影。 但是，由于原子的大小约为 0.1 nm，因此可以使用 X 射线来检测原子和分子的位置、形状和大小。 这个过程被称为 X 射线衍射，它涉及 X 射线的干扰以产生图案。
- 4.8: 全息术
- 全息图是由激光记录在胶片上的真实三维图像。 全息图用于娱乐；装饰新奇物品和杂志封面；信用卡和驾驶执照的安全（需要激光和其他设备来复制它们）；以及用于严格的三维信息存储。 你可以看到全息图是真正的三维图像，因为当从不同的角度观察时，物体在图像中的相对位置会发生变化。
缩略图：来自蛋白质（母鸡蛋溶菌酶）晶体的 X 射线衍射产生了这种干扰模式。 对模式的分析会产生有关蛋白质结构的信息。 （来源：“Del45” /维基共享资源）