泊松光斑

光学现象

泊松光斑，也称阿拉戈光斑。是一种由于光的衍射而产生的一种光学现象。

简介

泊松光斑，也称阿拉戈光斑。是一种由于光的衍射而产生的一种光学现象。

当单色光照射在一定尺寸的小圆板或圆珠时，会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹，并且在所有同心圆的圆心处会出现一个极小的亮斑，这个亮斑就被称为泊松亮斑。这个亮斑的出现是对光的波动性的一个很好的证明。

有趣的是，虽然这个现象是由最早计算得到它的法国物理学家西莫恩·泊松命名，但泊松却是企图利用“中心点的光穿过障碍物到达光屏”这个与常识相违背的结论来推翻光的波动说。

除光外，在其他物质流的衍射现象中也能发现泊松亮斑的存在。

历史

1814年，奥古斯丁·菲涅耳开始致力于光的本性的研究，他再度重现了托马斯·杨于1801年建立的光的双缝干涉实验，并用惠更斯原理对这一现象作出完美的解释。与此同时，他开始研究小孔衍射问题。

1817年，法兰西学术院举行了一次关于光的本性问题的科研成果最佳论文竞赛，菲涅耳加紧了研究工作；他在他弟弟的帮助下，成功地提出了后人称之为惠更斯－菲涅耳原理，他用这一原理出色地解释了光的直线传播规律，提出了光的衍射理论的子波解释，并于1818年提交了论文。科学院成立了一个评委会，评委会的成员中有波动的支持者弗朗索瓦·阿拉戈（1786—1853），有波动说的反对者泊松（1781—1840）、让-巴蒂斯特·毕奥（1774—1862）、皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（1749—1827），有一中立者路易斯·盖-吕萨克（1778—1850）。尽管不少成员不相信菲涅耳的观念，但是最终还是被菲涅耳数学上的巨大成功及其与实验上的一致性所征服，并授予他优胜奖。

泊松想推翻菲涅耳的观点，就借助于波动理论对衍射理论进行详细地分析。他发现：用一个圆片作为遮挡物时。光屏的中心应出现一个亮点（或者用圆孔做实验时，应该在光屏的中心出一个暗斑），这是令人难以相信的事实，过去也未曾有人见到过。菲涅耳又经过严密的数学计算发现，只有当这个圆片的半径很小时，这个亮点才比较明显（或圆孔很小时，暗斑明显）。事后，菲涅耳和阿拉戈精心设计了一个实验，确认了这一亮斑的存在，证明了这一预言的正确性。

这个初看起来似乎是荒谬的结论，是泊松研究菲涅耳论文时把它当作谬误提出来的，但却成了支持波动说的强有力的证据。后来人们为了纪念这一极具戏剧性事实，就把衍射光斑中央出现的亮斑（或暗斑）称为“泊松光斑”。

衍射

衍射（英语：diffraction），又称绕射，是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。

在经典物理学中，波在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后会发生不同程度的弯散传播。假设将一个障碍物置放在光源和观察屏之间，则会有光亮区域与阴暗区域出现于观察屏，而且这些区域的边界并不锐利，是一种明暗相间的复杂图样。这现象称为衍射，当波在其传播路径上遇到障碍物时，都有可能发生这种现象。除此之外，当光波穿过折射率不均匀的介质时，或当声波穿过声阻抗不均匀的介质时，也会发生类似的效应。在一定条件下，不仅水波、光波能够产生肉眼可见的衍射现象，其他类型的电磁波（例如X射线和无线电波等）也能够发生衍射。由于原子尺度的实际物体具有类似波的性质，它们也会表现出衍射现象，可以通过量子力学进行研究其性质。

在适当情况下，任何波都具有衍射的固有性质。然而，不同情况中波发生衍射的程度有所不同。如果障碍物具有多个密集分布的孔隙，就会造成较为复杂的衍射强度分布图样。这是因为波的不同部分以不同的路径传播到观察者的位置，发生波叠加而形成的现象。

衍射的形式论还可以用来描述有限波（量度为有限尺寸的波）在自由空间的传播情况。例如，激光束的发散性质、雷达天线的波束形状以及超声波传感器的视野范围都可以利用衍射方程来加以分析。

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