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      1. 衍射——當光波撞擊某些具有可變透射率或相位變化的結構時發生的波動現象

        時間:2021-08-09 來源:新特光電 訪問量:1139

        衍射是光波(或其他波)遇到某些結構時可能發生的現象的總稱。雖然在日常生活中,人們很少遇到光的實質性衍射效應,但這種效應在光學和激光技術中非常常見。事實上,各種光學器件的工作原理基本上都是基于衍射的(→ 衍射光學)。衍射在許多其他設備中也起著至關重要的作用,如光學諧振器和光纖。

        單縫衍射

        一種常見的情況是狹窄的光學狹縫被來自單色激光器的空間相干輻射均勻地照射。在狹縫后面,可以觀察到具有以下特征的衍射圖案:

        在單個1μm寬光學狹縫處衍射的遠場強度分布

        在單個1μm寬光學狹縫處衍射的遠場強度分布,波長從400nm到750nm,步長為50nm。

        對于每個波長,中間有一個主要的最大值,它們在較大的角度是弱得多的側最大值。對于更長的波長,中心峰更寬,側峰以更大的角度出現。對于給定的波長,強度的第一個最小值出現在來自狹縫兩個邊緣的貢獻的相位差達到2π時。強度分布可以用sinc2函數來描述。

        雙縫衍射

        在1803年著名的雙縫實驗中,托馬斯·楊使用了兩個緊密間隔的窄光學縫。由于他沒有激光,他必須通過使用前面的第三條狹縫來實現兩條狹縫的空間相干照明。

        在5μm狹縫間距和1μm狹縫寬度的雙狹縫處,450nm光的衍射強度分布。

        在5μm狹縫間距和1μm狹縫寬度的雙狹縫處,450nm光的衍射強度分布。

        上圖顯示了一個特定波長的計算強度分布。第一次安裝產生于來自兩個不同狹縫的場貢獻的干擾。強度分布進一步用由每個狹縫的有限寬度確定的函數進行緩慢調制。

        所有顏色在同一狹縫處的衍射圖案。

        所有顏色在同一狹縫處的衍射圖案。

        上圖用色標顯示了不同波長的干涉圖案。較長波長的圖案相應地涉及較大的衍射角。

        圓形孔徑的衍射

        如果光束(例如激光束)遇到一些孔徑,該孔徑在某些區域透射光并在其他區域阻擋它,則對透射光的直接影響只是強度分布的相應截斷。只有在光圈后面一段距離后,才能觀察到特征衍射效應。

        直接在硬圓形光圈(藍色曲線)后面和光圈后面某些距離處以25毫米為步長的光束的強度分布。

        直接在硬圓形光圈(藍色曲線)后面和光圈后面某些距離處以25毫米為步長的光束的強度分布。

        上圖顯示了一個模擬示例,其中原始高斯光束在中心圓形硬孔徑處被截斷。在空氣中進一步傳播期間,強度分布由于衍射而形成復雜的結構。對于軟孔徑,在邊緣導致平滑的強度下降,衍射圖案更平滑。

        對于軟孔徑,在邊緣導致平滑的強度下降,衍射圖案更平滑。

        與上圖相同,只是使用了軟孔徑。

        基于傅立葉光學可以很好地理解和計算這種衍射效應。硬孔徑引入了高光學頻率,對應于強度的快速空間變化。

        例如,當試圖通過將硬孔徑插入激光諧振腔來強制激光器進入單橫模操作(以獲得最佳光束質量)時,也會發生這種效應。盡管與基模相比,這種孔徑可為高階諧振器模式提供顯著更高的往返損耗,但它也引入了衍射效應。因此,該方法通常效果不佳。

        許多光學儀器(例如望遠鏡)的角分辨率也受到衍射(例如在輸入孔徑處)的限制。該分辨率極限可以粗略估計為波長除以孔徑直徑。

        孔徑并不總是圓形的。下圖顯示了一個示例,其中激光束被刀片截斷。

        已被刀片截斷的激光束的強度分布,顯示在刀片后10毫米的距離處。

        已被刀片截斷的激光束的強度分布,顯示在刀片后10毫米的距離處。

        距離100毫米后已被刀片截斷的激光束的強度分布

        與上圖相同,但距離100毫米后。

        大多數激光器和激光光學器件的設計使得由于硬孔徑而產生的衍射效應可以忽略不計。這意味著所有的激光反射鏡,例如,必須大到基本上可以反射整個光束輪廓。衍射效應本質上取決于光學波長。對于多色光束,所產生的空間模式在不同波長分量之間可能存在顯著差異。因此,例如,可以觀察到白色輸入光束的顏色。經典情況是衍射光柵的情況。

        激光束的發散

        即使沒有任何孔徑,激光束也會根據其橫向空間限制表現出一定程度的衍射。對于高斯光束,強度分布的形狀保持不變,即保持高斯分布;只有光束半徑逐漸增加。這種保留強度分布形狀的特性也適用于其他類型的自由空間模式,例如Hermite-Gaussian 模式。然而,一般來說,衍射會導致強度分布的形狀發生變化。

        激光束通常受衍射限制,即它們在傳播過程中的膨脹并不比單獨由衍射引起的膨脹強。長波長的光會產生強烈的衍射效應。例如,長波長光束的差頻生成在性能上會受到所生成光束的衍射的嚴重限制,這會限制相互作用長度或強制較弱的光束聚焦。

        衍射和諧振腔或波導模式

        衍射效應對于某些模式的形成也起著至關重要的作用。例如,有一些光纖模式,在傳播過程中(根據定義)其強度分布保持恒定。這種模式由兩種抵消效應形成:

        • 單獨的衍射趨于加寬光束。

        • 來自光纖折射率分布的波導效應提供了一種聚焦。

        對于光纖模式,這兩種效應正好相互平衡。類似地,諧振腔模式表現出衍射和聚焦效應的平衡,只是后者通常集中而不是分布在諧振腔中。當兩種抵消效應相對較強時,實現了這種模式的良好穩定性,使得任何附加效應(例如光纖結構的缺陷、光纖的彎曲或諧振器元件的未對準)具有相對較弱的效應。在兩種效應都很弱的情況下,穩定性會很差——例如,在激光諧振腔中,光束的瑞利長度遠大于諧振腔長度。例如,當開發具有大模式半徑和短激光諧振腔的Q 開關激光器時,可能會出現這種情況。

        周期性和非周期性結構的衍射

        當光束遇到引起光強度(通過可變吸光度)或光學相位(例如,通過可變折射率或高度分布)空間周期性變化的結構時,也會發生衍射效應。這種結構稱為衍射光柵,這種現象稱為布拉格衍射。. 如果光柵在光束輪廓內表現出大量振蕩,則可能有多個衍射輸出光束,每個光束具有與輸入光束相似的空間形狀。輸出光束的光束方向(零級光束除外)取決于光波長。這種效應在例如光柵光譜儀中得到了利用。

        衍射光柵上所有可能衍射級的輸出光束。

        衍射光柵上所有可能衍射級的輸出光束。

        衍射也可能由介質的某些體積中的折射率調制引起。例如,有體積布拉格光柵可用作與波長相關的反射器。此外,基于介質中的聲波,布拉格衍射是可能的;這在聲光調制器中得到了利用。

        衍射效應也可能發生在反射中。事實上,大多數衍射光柵都是反射元件。當然,衍射效應也會發生在非周期性結構上。例如,當激光束在粗糙表面上散射時,就會出現激光散斑現象,這實際上會導致光束上出現復雜的相位調制圖案。使用從激光器獲得的準單色光可以觀察到非常明顯的散斑效果。對于寬帶(時間上不相干)光而言,情況并非如此,因為獲得的圖案具有很強的波長依賴性,因此在某些波長范圍內平均強度可以有效地消除這種圖案。

        衍射光學

        還有其他各種利用衍射效應的光學元件。例如,有多路輸出的衍射分束器,也有類似的裝置用于相干合束。有關更多詳細信息,請參閱關于衍射光學的文章。

        衍射和干涉

        衍射效應可以基于場分布對遠距離產生的場的不同貢獻的干擾來解釋(惠更斯-菲涅耳原理)。衍射和干涉之間實際上沒有明確的界限。例如,光通過窄縫(孔徑)的透射通常用衍射來描述,而雙縫后面的現象稱為干涉現象。然而,干擾的基本原理可以適用于這兩種情況。

        不同的衍射體制

        不同的衍射機制是有區別的,可以用不同的數學方法處理。 當考慮遠場時,夫瑯禾費衍射是相關的,即遠離折射結構的衍射圖案;這種狀態的特點是菲涅耳數的值遠低于 1。另一方面,具有大菲涅耳數的菲涅耳衍射的概念可以應用于近場相關的情況。

        光學儀器的衍射極限性能

        各種光學儀器如顯微鏡的性能基本上受到衍射效應的限制。本質上,入射孔徑或內部元件的有限橫向尺寸會導致衍射效應,從而設定所謂的點擴散函數的最小光斑尺寸。因此,光學顯微鏡(包括激光顯微鏡)的分辨率通常被限制在光學波長的一半數量級。該限制幾乎沒有例外,例如近場顯微鏡(使用亞波長尺寸的光學尖端掃描物體)或某些類型的熒光顯微鏡(STED)。類似的性能限制適用于光學望遠鏡。限制衍射效應(以獲得最佳角分辨率)需要使用大光學孔徑。

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