干涉与衍射是什么关系？

干涉与衍射都是光的相干叠加现象，没有本质的区别。习惯上把有限几束或彼此离散的无限多束光的相干叠加叫作“干涉”，连续的无限多个次波中心发出的次波的相干叠加叫作“衍射”。

在中学物理教学中，接触过双缝干涉、单缝衍射、光栅衍射等，有学生会问：为什么光通过单缝叫作衍射、通过双缝叫作干涉，而通过更多条缝（光栅）又叫作衍射呢？到底什么是干涉、什么是衍射，干涉和衍射之间是怎样的关系呢？

其实干涉和衍射都是光的相干叠加而造成光场强度分布的改变，并无本质的区别。

一、能观察到光的相干叠加的条件

干涉和衍射都是波动的特有现象。对于机械波来说，能观察到干涉和衍射现象的条件是两个：①两列波的波长或频率相等；②有相互平行的振动分量，即两列波不能相互垂直。其中第①条对一切波动现象都适用，而第②条只对矢量波适用，对于标量波则谈不上。

光波是电磁波，属于矢量波，有了①②两条，两列光波叠加时就一定能发生干涉和衍射现象，但是否能观察到，则涉及叠加区域的光场是否稳定，能否被观察仪器检测到。由于光波的频率很高，而检测仪器（人的眼睛就是最常用的检测仪器）反应时间较长，不可能跟上光波瞬时值的高速变化，响应的是光的强度，即能量的分布情况，而光的强度是与其振幅的平方成正比的，眼睛能观察到的必须是较长时间内强度分布稳定的，因此对于光波，要加上第③条，只有相位差保持恒定，叠加后的光场才是稳定的，因此这第③条是研究光波干涉或衍射时必须着重考虑的问题。满足上述三个条件的两列光波称为相干光波，在它们叠加的区域内一般可以观察到干涉或衍射现象。

自然界的光源都不是点光源，而是由许多发光点组成的。通过更深入的研究知道，光是在原子的能级跃迁的过程中发射的，每个原子的能级跃迁过程都非常短，即所发射的光波都非常短促，而原子的跃迁过程又都是随机的。因此两个自然界的光源普通都不满足上述相干条件，即使是同一个光源发出的光，不同发光点发出的光波也不能保证相位差恒定这个条件，托马斯·杨巧妙地用一个单孔（后来改用单缝）把光源变成点光源，又让它发出的光通过两个相距很近的孔（后来改用双缝），即把原来同一点光源发出的光分成两束，再进行叠加，从而在人类历史第一次在实验室里成功地观察到了光的干涉现象。后来，激光的发现使得观察光的干涉和衍射现象变得更加容易，因为激光可以较好地满足上述三个相干叠加的条件。

二、干涉与衍射的区别

干涉和衍射的区别来源于人们的习惯。

当某个仪器将光波分割为有限几束或彼此离散的无限多束，而其中每束又可近似地按几何光学的规律来描述时，人们通常把它们的相干叠加叫作“干涉”，这样的仪器叫作“干涉装置”。双孔（双缝）干涉装置是最早的干涉装置，从每条缝中射出的光波都是从同一个光源发出的光波，并且可以近似地按几何光学的规律描述，它们彼此分开，成为两个相干光源，当这两束光波叠加时，叠加区域内的光场强度分布发生了改变，并且可以保持稳定，因此可以观察到明显的干涉条纹，称为双孔或双缝干涉。

衍射一词则指连续分布在波前上无限多个次波中心发出的次波的相干叠加，这些次波并不服从几何光学的定律。如图 1 所示的单缝 ab，虽然从宏观上看宽度不大，但相对于光波的波长而言，还是相当大的。当一束平行单色光倾斜照射到它上面时，处于缝中的所有点都可以看作次波源，它们发出的次波叠加就称为衍射（单缝衍射）。垂直于光束前进方向作虚线 ac，则 ac 面上各点的相位都相同，而狭缝 ab 上各次波源发出的光波的相位各不相同，从 a 开始直到 b，连续分布的、无限多个次波中心所发出的次波相对于 ac 面上各点相位依次落后，它们的叠加就会出现强度重新分布的现象，这就是单缝衍射。

实际装置中，干涉效应和衍射效应往往是同时存在，混杂在一起的，这时干涉条纹的分布要受到单元衍射因子的调制。例如，双缝干涉装置是由两条平行的单缝构成的，光束照射到每条单缝上都会发生衍射现象，两个分立的单缝衍射的相干叠加，就是双缝干涉。

再看光栅，光栅一般是指由密集、等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件，更广泛的说法是指一切具有空间周期性的光学器件。最简单的一种光栅是由一系列平行的、等间距的狭缝排列而成的。既然把双缝的相干叠加称为干涉，即认为从每条缝中射出的光束近似服从几何光学规律，那么光束照射到这种光棚上，从彼此离散的每条狭缝中射出的光束也应近似服从几何光学规律，因此这些光束的叠加也应该称为干涉，但人们却把它称为衍射光栅，把观察到的现象称为光栅衍射，这再一次说明了干涉与衍射并无本质上的不同，更多的只是人们的一种习惯性称呼。

三、衍射现象的基本特征

衍射以前曾被称为绕射。最早发现光的衍射现象的是弗朗西斯科·格里马第（Francesco Grimaldi），他的这一发现直到他去世后的 1665 年才得以发表。他当时观察到的主要是光线能偏离直线传播方向而绕到障碍物后面的现象，这大概就是以前我们把衍射译成绕射的原因。对于他的这一发现，在当时并没有引起人们的重视。比弗朗西斯科·格里马第稍晚一些的牛顿认为光是由微小的粒子流组成的，牛顿的这种观点简称为微粒说，但用微粒说是不能解释光的衍射现象的。同时代的惠更斯主张波动说，他认为光是一种波，但他的理论并不完善，也解释不了光的衍射现象。当时人们无法用实验事实说明哪种说法正确，哪种说法错误，然而由于牛顿的威望和地位，波动说被长期忽视，格里马第的发现也就被忽略了。直到 19 世纪初托马斯·杨成功地观察到了双缝干涉实验，波动说才重新被重视，对衍射现象的研究也才重新被提上日程并且逐渐深入。

衍射现象的一个显著特征是光场范围的扩大，即所谓偏离直线传播的现象。人们发现，在哪个方向对光束的传播加以限制，光场就向哪个方向扩展，限制得越厉害，扩展得就越多。让光束通过一个狭缝，如果狭缝沿竖直方向，即是狭缝的两边沿水平方向对光束进行限制，光束就向水平方向扩展，狭缝越窄，限制越厉害，光束的扩展也越厉害，如图 2 所示。

如果把狭缝换成一个矩形孔，即对光束的传播在竖直和水平两个方向加以限制，则光束向竖直和水平两个方向扩展，竖直方向的限制厉害，它向竖直方向的扩展也厉害，如图 3（a）、图 3（b）所示。

如果把狭缝换成三角形孔，则出现六角形的光芒，如图 3（c）所示；改换成圆孔，则出现的是圆环形图样，说明它是向圆周均匀扩展，如图 3（d）所示。在夜晚观察明亮的路灯，有时会看见四射的光芒，这说明眼睛的瞳孔边缘是多边形的，光芒就是衍射的结果。

衍射现象不只是光场范围的扩大，更重要的是在光沿直线传播的方向能到达的区域以及偏离直线传播的方向而到达的区域内，光场的强度分布都要发生改变，即出现有的地方强度变大而另外一些地方强度变小，从而显现出衍射图样。如果入射光是单色光，则衍射图样表现为亮、暗相间；如果入射光是白光，则衍射图样是彩色的。以单色光的单缝衍射为例，其中心为一亮斑，两侧为一系列较小，并且亮度也较暗的亮斑，形成明暗相间的衍射图样。其中心亮斑称为主极强，两侧的亮斑称为次极强。从图 2 可以看出，狭缝越窄，主极强的宽度越大，并且亮度也越大，我们就说它衍射越明显。

泊松亮斑的实验也是光的衍射现象。光照射到不透光的圆屏上发生的现象称为圆屏衍射，按照光的直线传播理论，圆屏后面应该是一个阴影，那是光束不能到达的区域，但其中心会出现一个亮斑，产生的原因可以这样解释：当一束平行光正对着圆屏照射时，圆屏的边缘各点作为次波源，它们发出的次波的相位都相同，这些次波源发出的光波在屏幕上相干叠加，其阴影的中心恰是光强增大的点，这就是泊松亮斑。

一切小的障碍物和孔，都会产生衍射效应，而光的衍射效应是否明显，除了与障碍物的线度有关外，还与观察的距离和方式、光源的强度等多方面因素有关。当使用激光作为光源来演示衍射现象时，障碍物的线度 ρ 与光波的波长 λ 的数量级大体上有如下关系：

ρ ≈ 10³λ 以上衍射现象不明显；

ρ ≈ （10 ~ 10³）λ 衍射现象明显；

ρ ≈ λ 衍射向散射过渡。

所谓衍射向散射过渡，是指衍射图样中的主极强充满了整个视场，这时就说发生了散射。可以说，散射与衍射一样，也是光波相干叠加的结果。散射现象很常见，白昼天空是亮的，就是阳光在大气中散射造成的。在月球上没有大气，宇航员在月球上，即使白昼也与地球的黑夜一样，天空是黑的，满天星斗，只是星星不会眨眼。云彩是白色的、洁净的天空是蓝色的，朝霞和落日是红色的，等等，这些都是散射的结果。大气的散射一部分来自空气中的细小尘埃，另一部分则是由密度涨落引起的。白云中的水滴和冰晶很多，而且颗粒比较大，它们对各种颜色的光散射效果都差不多，在阳光照射下，各种色光都被散射，因此呈现白色。而洁净的大气中尘埃和水滴都非常少，起作用的主要是由于密度涨落引起的分子散射，它们的线度比尘埃颗粒要小得多，比可见光的波长也要小，它们对波长较短的蓝紫色光的散射更为明显，因此雨后天晴时节，天空格外湛蓝，这个时候如果恰好是早晨或傍晚，太阳位于东方或西方的地平线处，射向地球的光线经过大气层的路径较长，而大气又把大部分蓝紫色光散射掉了，太阳就变成红色的了。

发布时间：2024/10/29 下午2:25:05  阅读次数：1286