?衍射[yǎn shè]
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衍射（英語：diffraction）是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象。
在經(jīng)典物理學中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物后會發(fā)生不同程度的彎散傳播。假設將一個障礙物置放在光源和觀察屏之間，則會有光亮區(qū)域與陰晦區(qū)域出現(xiàn)于觀察屏，而且這些區(qū)域的邊界并不銳利，是一種明暗相間的復雜圖樣。這現(xiàn)象稱為衍射，當波在其傳播路徑上遇到障礙物時，都有可能發(fā)生這種現(xiàn)象。除此之外，當光波穿過折射率不均勻的介質(zhì)時，或當聲波穿過聲阻抗（acoustic impedance）不均勻的介質(zhì)時，也會發(fā)生類似的效應。在一定條件下，不僅水波、光波能夠產(chǎn)生肉眼可見的衍射現(xiàn)象，其他類型的電磁波（例如X射線和無線電波等）也能夠發(fā)生衍射。由于原子尺度的實際物體具有類似波的性質(zhì)，它們也會表現(xiàn)出衍射現(xiàn)象，可以通過量子力學進行研究其性質(zhì)。
在適當情況下，任何波都具有衍射的固有性質(zhì)。然而，不同情況中波發(fā)生衍射的程度有所不同。如果障礙物具有多個密集分布的孔隙，就會造成較為復雜的衍射強度分布圖樣。這是因為波的不同部分以不同的路徑傳播到觀察者的位置，發(fā)生波疊加而形成的現(xiàn)象。
衍射的形式論還可以用來描述有限波（量度為有限尺寸的波）在自由空間的傳播情況。例如，激光束的發(fā)散性質(zhì)、雷達天線的波束形狀以及超聲波傳感器的視野范圍都可以利用衍射方程來加以分析。
中文名
衍射
外文名
diffraction
創(chuàng)始人
弗朗西斯科·格里馬第
原理
波遇到障礙物時偏離原來直線傳播
發(fā)表時間
1655年
研究歷史
光的衍射效應最早是由弗朗西斯科·格里馬第（Francesco Grimaldi）于1665年發(fā)現(xiàn)并加以描述，他也是“衍射”一詞的創(chuàng)始人。這個詞源于拉丁語詞匯diffringere，意為“成為碎片”，即波原來的傳播方向被“打碎”、彎散至不同的方向。格里馬第觀察到的現(xiàn)象直到1665年才被發(fā)表，這時他已經(jīng)去世。他提出
“光不僅會沿直線傳播、折射和反射，還能夠以第四種方式傳播，即通過衍射的形式傳播。”（"Propositio I. Lumen propagatur seu diffunditur non solum directe, refracte, ac reflexe, sed etiam alio quodam quarto modo, diffracte."）
英國科學家艾薩克·牛頓對這些現(xiàn)象進行了研究，他認為光線發(fā)生了彎曲，并認為光是由粒子構成。在19世紀以前，由于牛頓在學界的權威，光的粒子說在很長一段時間占有主流位置。這樣的情況直到19世紀幾項理論和實驗結果的發(fā)表，才得以改變。1803年，托馬斯·楊進行了一項非常著名的實驗，這項實驗展示了兩條緊密相鄰的狹縫造成的干涉現(xiàn)象，后人稱之為“雙縫實驗”。在這個實驗中，一束光照射到具有緊挨的兩條狹縫的遮光擋板上，當光穿過狹縫并照射到擋板后面的觀察屏上，可以產(chǎn)生明暗相間的條紋。他把這歸因于光束通過兩條狹縫后衍射產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，并進一步推測光一定具有波動的性質(zhì)。奧古斯丁·菲涅耳則對衍射做了更多權威的計算研究，他的結果分別于1815年和1818年被發(fā)表，他提到
“這樣，我就展示了人們能夠通過何種方式來構想光以球面波連續(xù)不斷地傳播出去……”（ "J'ai donc montré de quelle fa?on l'on peut concevoir que la lumière s'étend successivement par des ondes sphériques, ..."）
法國科學院曾經(jīng)舉辦了一個關于衍射問題的有獎辯論會，菲涅耳贏得了這次辯論。作為反對光波動學說的其中一位，西莫恩·德尼·泊松提出，如果菲涅耳聲稱的結論是正確的，那么當光射向一個球的時候，將會在球后面陰影區(qū)域的中心找到亮斑。結果，評審委員會安排了上述實驗，并發(fā)現(xiàn)了位于陰影區(qū)域中心的亮斑（它后來被稱作泊松光斑）。這個發(fā)現(xiàn)極大地支持了菲涅耳的理論。[1]他的研究為克里斯蒂安·惠更斯發(fā)展的光的波動理論提供了很大的支持。他與楊的理論共同反駁了牛頓關于光是粒子的理論。
在對衍射現(xiàn)象的探索過程中，人們也不斷積累了對于衍射光柵的認識。17世紀，蘇格蘭數(shù)學家、天文學家詹姆斯·格雷戈里（James Gregory）在鳥的羽毛縫間觀察到了陽光的衍射現(xiàn)象。他是第一個發(fā)現(xiàn)衍射光柵原理的科學家。在1673年5月13日他寫給約翰·科林斯（John Colins）的一封信中提到了此發(fā)現(xiàn)。；1786年，美國天文學家戴維·里滕豪斯用螺絲和細線第一次人工制成了衍射光柵，細線的密度達到每英寸100線，他用這個裝置成功地看到了陽光的衍射。1821年，約瑟夫·夫瑯禾費利用相似的裝置（每厘米127線）證明了托馬斯·楊關于衍射的公式（參見段落下方），并對衍射進行了許多重要研究。1867年，劉易斯·盧瑟福（Lewis Morris Rutherfurd）采用水輪機作為動力進行刻線、制作光柵。后來的亨利·奧古斯塔斯·羅蘭 改良了光柵的刻劃技術，并在1882年發(fā)明了在凹形球面鏡上進行刻劃的凹面光柵。其后的羅伯特·伍德（Robert William Wood）改進了光柵的刻劃形狀，從而提高了光柵的衍射效率。近代的阿爾伯特·邁克耳孫提出利用干涉伺服系統(tǒng)控制光柵的刻劃過程，于1948年實現(xiàn)了這一想法。20世紀下半葉，由于激光、光刻膠等新技術的出現(xiàn)，光柵制造技術取得很大的進步，制造成本顯著降低，制造周期也得以縮短。[2]
如果采用單色平行光，則衍射后將產(chǎn)生干涉結果。相干波在空間某處相遇后，因位相不同，相互之間產(chǎn)生干涉作用，引起相互加強或減弱的物理現(xiàn)象。 衍射的結果是產(chǎn)生明暗相間的衍射花紋，代表著衍射方向（角度）和強度。根據(jù)衍射花紋可以反過來推測光源和光柵的情況。 為了使光能產(chǎn)生明顯的偏向，必須使“光柵間隔”具有與光的波長相同的數(shù)量級。用于可見光譜的光柵每毫米要刻有約500條線 。
衍射圖樣
1912年，勞厄想到，如果晶體中的原子排列是有規(guī)則的，那么晶體可以當作是X射線的三維衍射光柵。X射線波長的數(shù)量級是10^-8cm,這與固體中的原子間距大致相同。果然試驗取得了成功，這就是最早的X射線衍射。 顯然，在X射線一定的情況下，根據(jù)衍射的花樣可以分析晶體的性質(zhì)。但為此必須事先建立X射線衍射的方向和強度與晶體結構之間的對應關系。
光的衍射
光在傳播路徑中，遇到不透明或透明的障礙物或者小孔（窄縫），繞過障礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射。衍射時產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)，叫衍射圖樣。
衍射示意圖
定義：光波遇到障礙物以后會或多或少地偏離幾何光學傳播定律的現(xiàn)象。
包括：單縫衍射、圓孔衍射、圓板衍射及泊松亮斑
產(chǎn)生衍射的條件是：由于光的波長很短，只有十分之幾微米，通常物體都比它大得多，但是當光射向一個針孔、一條狹縫、一根細絲時，可以清楚地看到光的衍射。用單色光照射時效果好一些，如果用復色光，則看到的衍射圖案是彩色的。
菲涅爾衍射
任何障礙物都可以使光發(fā)生衍射現(xiàn)象，但發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是“苛刻”的。
當障礙物的尺寸遠大于光波的波長時，光可看成沿直線傳播。注意，光的直線傳播只是一種近似的規(guī)律，當光的波長比孔或障礙物小得多時，光可看成沿直線傳播；在孔或障礙物可以跟波長相比，甚至比波長還要小時，衍射就十分明顯。由于可見光波長范圍為4×10∧-7m至7.7×10∧-7m之間，所以日常生活中很少見到明顯的光的衍射現(xiàn)象。
惠更斯
惠更斯提出，媒質(zhì)上波陣面上的各點，都可以看成是發(fā)射子波的波源，其后任意時刻這些子波的波跡，就是該時刻新的波陣面?；莞梗颇鶢栐砟芏ㄐ缘孛枋鲅苌洮F(xiàn)象中光的傳播問題。菲涅爾充實了惠更斯原理，他提出波前上每個面元都可視為子波的波源，在空間某點P的振動是所有這些子波在該點產(chǎn)生的相干振動的疊加，稱為惠更斯－菲涅爾原理。
衍射
菲涅爾
指的是光源-衍射屏、衍射屏-接受屏之間的距離均為有限遠，或其中之一為有限遠的場合，或者說，球面波照明時在有限遠處接收的是菲涅爾衍射場。 例如：圓孔衍射、圓屏衍射菲涅爾衍射、泊松亮斑
夫瑯禾費
指的是衍射屏與兩者的距離均是無限遠的場合，或者說，平面波照明時在無窮遠處接收的是夫瑯禾費衍射場。 概略的看，菲涅爾衍射是近場衍射，而夫瑯禾費衍射是遠場衍射。不過，在成像衍射系統(tǒng)中，與照明用的點光源相共軛的像面上的衍射場也是夫瑯禾費衍射場，此時，衍射屏與點光源或接收屏之距離在現(xiàn)實空間看，都是很近的。
單縫夫朗和費衍射
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