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衍射——当光波撞击某些具有可变透射率或相位变化的结构时发生的波动现象

时间:2021-08-09 来源:新特光电 访问量:1035

衍射是光波(或其他波)遇到某些结构时可能发生的现象的总称。虽然在日常生活中,人们很少遇到光的实质性衍射效应,但这种效应在光学和激光技术中非常常见。事实上,各种光学器件的工作原理基本上都是基于衍射的(→ 衍射光学)。衍射在许多其他设备中也起着至关重要的作用,如光学谐振器和光纤。

单缝衍射

一种常见的情况是狭窄的光学狭缝被来自单色激光器的空间相干辐射均匀地照射。在狭缝后面,可以观察到具有以下特征的衍射图案:

在单个1μm宽光学狭缝处衍射的远场强度分布

在单个1μm宽光学狭缝处衍射的远场强度分布,波长从400nm到750nm,步长为50nm。

对于每个波长,中间有一个主要的最大值,它们在较大的角度是弱得多的侧最大值。对于更长的波长,中心峰更宽,侧峰以更大的角度出现。对于给定的波长,强度的第一个最小值出现在来自狭缝两个边缘的贡献的相位差达到2π时。强度分布可以用sinc2函数来描述。

双缝衍射

在1803年著名的双缝实验中,托马斯·杨使用了两个紧密间隔的窄光学缝。由于他没有激光,他必须通过使用前面的第三条狭缝来实现两条狭缝的空间相干照明。

在5μm狭缝间距和1μm狭缝宽度的双狭缝处,450nm光的衍射强度分布。

在5μm狭缝间距和1μm狭缝宽度的双狭缝处,450nm光的衍射强度分布。

上图显示了一个特定波长的计算强度分布。第一次安装产生于来自两个不同狭缝的场贡献的干扰。强度分布进一步用由每个狭缝的有限宽度确定的函数进行缓慢调制。

所有颜色在同一狭缝处的衍射图案。

所有颜色在同一狭缝处的衍射图案。

上图用色标显示了不同波长的干涉图案。较长波长的图案相应地涉及较大的衍射角。

圆形孔径的衍射

如果光束(例如激光束)遇到一些孔径,该孔径在某些区域透射光并在其他区域阻挡它,则对透射光的直接影响只是强度分布的相应截断。只有在光圈后面一段距离后,才能观察到特征衍射效应。

直接在硬圆形光圈(蓝色曲线)后面和光圈后面某些距离处以25毫米为步长的光束的强度分布。

直接在硬圆形光圈(蓝色曲线)后面和光圈后面某些距离处以25毫米为步长的光束的强度分布。

上图显示了一个模拟示例,其中原始高斯光束在中心圆形硬孔径处被截断。在空气中进一步传播期间,强度分布由于衍射而形成复杂的结构。对于软孔径,在边缘导致平滑的强度下降,衍射图案更平滑。

对于软孔径,在边缘导致平滑的强度下降,衍射图案更平滑。

与上图相同,只是使用了软孔径。

基于傅立叶光学可以很好地理解和计算这种衍射效应。硬孔径引入了高光学频率,对应于强度的快速空间变化。

例如,当试图通过将硬孔径插入激光谐振腔来强制激光器进入单横模操作(以获得最佳光束质量)时,也会发生这种效应。尽管与基模相比,这种孔径可为高阶谐振器模式提供显着更高的往返损耗,但它也引入了衍射效应。因此,该方法通常效果不佳。

许多光学仪器(例如望远镜)的角分辨率也受到衍射(例如在输入孔径处)的限制。该分辨率极限可以粗略估计为波长除以孔径直径。

孔径并不总是圆形的。下图显示了一个示例,其中激光束被刀片截断。

已被刀片截断的激光束的强度分布,显示在刀片后10毫米的距离处。

已被刀片截断的激光束的强度分布,显示在刀片后10毫米的距离处。

距离100毫米后已被刀片截断的激光束的强度分布

与上图相同,但距离100毫米后。

大多数激光器和激光光学器件的设计使得由于硬孔径而产生的衍射效应可以忽略不计。这意味着所有的激光反射镜,例如,必须大到基本上可以反射整个光束轮廓。衍射效应本质上取决于光学波长。对于多色光束,所产生的空间模式在不同波长分量之间可能存在显着差异。因此,例如,可以观察到白色输入光束的颜色。经典情况是衍射光栅的情况。

激光束的发散

即使没有任何孔径,激光束也会根据其横向空间限制表现出一定程度的衍射。对于高斯光束,强度分布的形状保持不变,即保持高斯分布;只有光束半径逐渐增加。这种保留强度分布形状的特性也适用于其他类型的自由空间模式,例如Hermite-Gaussian 模式。然而,一般来说,衍射会导致强度分布的形状发生变化。

激光束通常受衍射限制,即它们在传播过程中的膨胀并不比单独由衍射引起的膨胀强。长波长的光会产生强烈的衍射效应。例如,长波长光束的差频生成在性能上会受到所生成光束的衍射的严重限制,这会限制相互作用长度或强制较弱的光束聚焦

衍射和谐振腔或波导模式

衍射效应对于某些模式的形成也起着至关重要的作用。例如,有一些光纤模式,在传播过程中(根据定义)其强度分布保持恒定。这种模式由两种抵消效应形成:

  • 单独的衍射趋于加宽光束。

  • 来自光纤折射率分布的波导效应提供了一种聚焦。

对于光纤模式,这两种效应正好相互平衡。类似地,谐振腔模式表现出衍射和聚焦效应的平衡,只是后者通常集中而不是分布在谐振腔中。当两种抵消效应相对较强时,实现了这种模式的良好稳定性,使得任何附加效应(例如光纤结构的缺陷、光纤的弯曲或谐振器元件的未对准)具有相对较弱的效应。在两种效应都很弱的情况下,稳定性会很差——例如,在激光谐振腔中,光束的瑞利长度远大于谐振腔长度。例如,当开发具有大模式半径和短激光谐振腔的Q 开关激光器时,可能会出现这种情况。

周期性和非周期性结构的衍射

当光束遇到引起光强度(通过可变吸光度)或光学相位(例如,通过可变折射率或高度分布)空间周期性变化的结构时,也会发生衍射效应。这种结构称为衍射光栅,这种现象称为布拉格衍射。. 如果光栅在光束轮廓内表现出大量振荡,则可能有多个衍射输出光束,每个光束具有与输入光束相似的空间形状。输出光束的光束方向(零级光束除外)取决于光波长。这种效应在例如光栅光谱仪中得到了利用。

衍射光栅上所有可能衍射级的输出光束。

衍射光栅上所有可能衍射级的输出光束。

衍射也可能由介质的某些体积中的折射率调制引起。例如,有体积布拉格光栅可用作与波长相关的反射器。此外,基于介质中的声波,布拉格衍射是可能的;这在声光调制器中得到了利用。

衍射效应也可能发生在反射中。事实上,大多数衍射光栅都是反射元件。当然,衍射效应也会发生在非周期性结构上。例如,当激光束在粗糙表面上散射时,就会出现激光散斑现象,这实际上会导致光束上出现复杂的相位调制图案。使用从激光器获得的准单色光可以观察到非常明显的散斑效果。对于宽带(时间上不相干)光而言,情况并非如此,因为获得的图案具有很强的波长依赖性,因此在某些波长范围内平均强度可以有效地消除这种图案。

衍射光学

还有其他各种利用衍射效应的光学元件。例如,有多路输出的衍射分束器,也有类似的装置用于相干合束。有关更多详细信息,请参阅关于衍射光学的文章。

衍射和干涉

衍射效应可以基于场分布对远距离产生的场的不同贡献的干扰来解释(惠更斯-菲涅耳原理)。衍射和干涉之间实际上没有明确的界限。例如,光通过窄缝(孔径)的透射通常用衍射来描述,而双缝后面的现象称为干涉现象。然而,干扰的基本原理可以适用于这两种情况。

不同的衍射体制

不同的衍射机制是有区别的,可以用不同的数学方法处理。 当考虑远场时,夫琅禾费衍射是相关的,即远离折射结构的衍射图案;这种状态的特点是菲涅耳数的值远低于 1。另一方面,具有大菲涅耳数的菲涅耳衍射的概念可以应用于近场相关的情况。

光学仪器的衍射极限性能

各种光学仪器如显微镜的性能基本上受到衍射效应的限制。本质上,入射孔径或内部元件的有限横向尺寸会导致衍射效应,从而设定所谓的点扩散函数的最小光斑尺寸。因此,光学显微镜(包括激光显微镜)的分辨率通常被限制在光学波长的一半数量级。该限制几乎没有例外,例如近场显微镜(使用亚波长尺寸的光学尖端扫描物体)或某些类型的荧光显微镜(STED)。类似的性能限制适用于光学望远镜。限制衍射效应(以获得最佳角分辨率)需要使用大光学孔径。

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