光的干涉和繞射

光的粒子說和波動說、光的干涉、薄膜的干涉現象、光的繞射

光纖光柵

光纖光柵 (Optical Fiber Gratings)
國立臺灣大學光電工程學研究所 許世昌

光纖光柵

光柵不僅可製作於平面基板上,亦可製作於玻璃光纖上,即以UV(紫外光)照射具感光特性的光纖,寫出週期性的折射率變化,達到光柵效果。常見光纖光柵有光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Gratings, FBG) 與長週期光纖光柵 (Long-period Fiber Gratings, LPFG),在光纖中分別扮演截然不同的角色,前者可視為特定波長下的反射鏡,後者則為衰減器。若我們在光纖中寫上週期性的光柵,它可用來調制特定波長的模態。以光纖布拉格光柵來說,在光纖裡由左往右傳播的光波,經適當週期的光柵繞射(大約幾百奈米),會產生反向傳遞的光波,如圖一。

光學專題-光纖光柵 pic1

圖一、常見光纖光柵示意圖

全像術

全像術 (Holography)
國立臺灣大學化學系 葉德緯

全像術是利用光學的波動性質來紀錄物體訊息的照相技術,其英文名稱 Holography 由字根 holo- 和字尾 -graphy 組成,holo- 代表的意思就是全部、完整,全像術的特性正如其英文名稱所描述,被記錄於全像片 (Hologram) 上的,並非傳統相片的二維影像訊息,而是整個行經物體的光束的光學訊息。

夫朗和斐繞射

夫朗和斐繞射(Fraunhofer Diffraction)
國立臺灣大學物理學系 周文鴻

夫朗和斐繞射 (Fraunhofer diffraction) 與菲涅耳繞射 (Fresnel diffraction) 分別是兩種描述繞射現象的模型;夫朗和斐繞射假設造成繞射的狹縫和屏幕距離很遠,可視為無限遠的情況,而菲涅耳繞射則假設屏幕與狹縫的距離是有限的。

微粒說

微粒說 (Corpuscular Theory)
國立臺灣大學物理學系 曾奕晴

光波粒二象性的發展

自古以來,人們對於光一直懷抱著非常大的好奇心,關於光的本質究竟是什麼,早在十七世紀時已經被廣泛的討論,當時主要的學說有二,分別為牛頓所提出的微粒說,以及惠更斯集大成的波動說。

鑑別率

鑑別率 (Resolving Power)
國立臺灣大學化學系 101級 郭中弘

(此處忽略像差造成的鑑別率問題,有興趣者可以參考《像差》)

當你在晴朗的夜晚抬頭仰望天空,看見滿天星斗,驚嘆造物者的藝術天分之餘,你可能會發現,若兩顆星星在視覺上的位置靠得很近時,它們外圍的光暈可能會有部分交疊在一起,讓它們看起來好像連在一起,當這兩顆星越接近,你看它們就越覺得模糊,直到它們靠近到一個程度,你就再也無法用肉眼分辨它們。

理論上兩點光源通過光學系統成像在平面上是仍是兩個個別的光點,但實際上,當光線通過光學元件時,會因為繞射現象變成一個光波的強度分布,而不再是一個點。以人在看星星為例,當星光(光源)透過人眼的水晶體及瞳孔(光學元件)時就會產生繞射,由於瞳孔是環形構造,因此產生環形的繞射強度分布。

同樣的現象在光學儀器的偵測上也會發生,觀察遠方的兩光源時,儀器所偵測到的是兩光源分別繞射後波形相加的結果,當兩光源過於接近,或者是觀察者和光源的距離過遠時(亦即觀察者對兩光源的視角過小時),因為光強度分布的關係,在兩光源中間重疊形成一個較強較大的訊號,觀察者只觀察到此訊號,卻無法區分這是兩個不同的光源還是一個大且亮的光源。

干涉

干涉 (interference)
國立臺灣大學物理博士班嚴治平

在介紹干涉 (interference)之前,先介紹相位 (phase)與疊加原理 (superposition principle)!相位是波 (wave)最重要的性質之一,而疊加原理則是處理數個波在時間、空間上重疊時的方法。

先以一維的繩波來介紹:

在同一條繩子上有兩個繩波相向而行(參見圖一),當兩波交會時,在交會處繩子的振動方式乍看之下似乎有點複雜,但其實並不然,因為只需把向左傳播的繩波跟向右傳播的繩波在相同位置的振動相加便可,這就是疊加原理。不論有幾個波重疊在相同的時間、空間,將各自的振動相加就可以得到總和的波。 當不同的波在空間的某處疊加在一起時,我們便說這些波在進行干涉。

牛頓環

牛頓環 (Newton’s rings)
臺中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

牛頓環(Newton’s rings)的現象,是由艾薩克.牛頓(Isaac Newton)發現的,所以命名為牛頓環,這是一種薄膜等厚干涉的現象,所謂薄膜等厚干涉現象,(參見Fig.1)是在厚度 $$d$$ 很小的情況下,薄膜厚度 $$d$$ 相同的位置,具有相同的光程差,故會對應同樣的干涉條紋,此現象可以解釋光的波動性質。

雙狹縫實驗(Double-slit Experiment)

雙狹縫實驗(Double-slit Experiment
國立台南第一高級中學二年級阮鏞蔘/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

在雙狹縫實驗中,光線是被照射在一個有兩狹縫切口的堅硬薄底片上。利用一個攝影用的底片或是其他偵測用的螢幕,紀錄那些穿透狹縫的光線。而可以只打開一個狹縫,或是同時開啟,兩個狹縫。

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