菲涅尔衍射研究论文

十九世纪伟大的光学家：菲涅尔 早逝的英才 菲涅耳于1788年出生在诺曼底省的布罗格利，当时法国革命即将爆发。他的父亲是一位建筑家，他的母亲是梅里美家族的成员。这个家族由于她的兄弟莱翁诺而著名。他是一位名画家，他的儿子即菲涅耳的表兄弟普罗斯佩．美是一位著名的文学家，他的短篇小说《卡门》是著名歌剧的主题，由此使得人们永远怀念他。 菲涅耳和他在光学上的主要竞争对手托马斯．杨不同，他智力发展较迟，对语言研究也不擅长。但在九岁时，菲涅耳开始显露出了非凡的技术才能，他依据科学原理制成了一种玩具枪、弓和箭。他的身体不太好，但十六岁时就进入理工学校学习，然后又从那里转到了土木工程学校。他在政府里任工程师，在法国各省修建道路和桥梁。在与科学界完全隔绝的情况下，他在那里开始把研究光的性质作为一种业余爱好。1814年他给他最亲密的兄弟莱翁诺写了一封信，要求给他买一些能用来学习光偏振的书籍。他毫不怀疑，他最后必将写出他想要读的书。 1815年拿破仑从厄尔巴岛回到了法国，他是在前一年战败后被欧洲列强关禁在岛上的。于是一股热情的狂潮震撼着整个法国，同时也受到了拿破仑反对者同样强烈情绪的抵制。菲涅耳是反对拿破仑的人物之一，为此重建的百日帝国革除了他的职务，先后把他送到了尼翁和马蒂厄村关禁起来。由于滑铁卢之战后波旁家族第二次回来掌权，菲涅耳才在1815年底恢复了积极的活动。 然而就在这几个月内菲涅耳已经开始了好几项足以引起光学革命的研究。他观察了来自一个半平面的衍射，并依靠他的数学技巧，把周期振动概念与惠更斯原理的精确表述结合起来，对衍射现象提出了一个细致的理论。菲涅耳设法离开了他的禁闭地点，到巴黎去拜访了阿拉戈，当时著名的科学家。阿拉戈立即发现了他的才能。不幸的是，阿拉戈不得不坦率地告诉他，他得到的结果在很大程度上已由杨占先了。但是，菲涅耳的工作更为详细和定量化，它有着足够的创新性，因而可以在科学院院刊上发表。在这篇论评文发表后不久，他接着又发表了同一课题的第二篇论文。阿拉戈和以研究陀螺仪著名的数学家普安索被指定为菲涅耳论文的审查人。他们从菲涅耳的上司那里为他得到了一个假期。以便他利用阿拉戈的实验设备在巴黎研究几个月。 菲涅耳在马蒂厄进行研究时得到一个乡村铁匠的帮助，制造出一些实验工具来使用，但衍射现象的研究却需要清密的机械工具，例如测微计、狭缝等，他没有别人的帮助是难以制造出来的。这之后，菲涅耳从衍射现象的研究转到了薄片颜色的研究。在这方面，杨依然是走在前面的佼佼者。1818年被阿拉戈和拉普拉斯引荐参加法国灯塔照明改组委员会。1823年被吸收为巴黎科学院院士，1827年获伦敦皇家学院伦福德奖章。他依靠微薄的收入维持自己的科学研究工作。只是到了1823年才得到承认被选入法国科学院，用于科学研究上的债务才得以偿清，但他的健康已受到很大损害。1824年因大出血而不得不终止了一切科学活动。菲涅耳于1827年因肺病卒于巴黎附近的阿弗雷城，终年三十九岁。 菲涅耳一生是一个非常虔诚的人，富有冉森教派的宗教思想。他也有点害羞。他在这与给兄弟的一封信中说，“我很难发现有任何事如应酬人们那样痛苦的了，我坦白承认，我真不知道如何去应酬他们。” 菲涅耳的光学成就 1815年，菲涅耳向科学院提交了关于光的衍射的第一份研究报告，这时他还不知道托马斯．扬关于衍射的论文。菲涅耳以光波干涉的思想补充了惠更斯原理，认为在各子波的包络面上，由于各子波的互相干涉而使合成波具有显著的强度，这给予惠更斯原理以明确的物理意义。但同托马斯．杨所认为的衍射是由直射光束与边缘反射光束的干涉形成的看法相反，菲涅耳认为屏的边缘不会发生反射。阿拉戈热情地报告了这篇论文，并第一个改信了波动说。 但是，波动说在解释偏振光的干涉现象上还存在着很大的困难。牛顿在《光学》疑问26中曾经问道：“光线不是有几个边缘，它们各有一些原来的性质吗？”是双折射现象引起了这一疑问。菲涅耳和阿拉戈总结了偏振光的干涉规律，发现两束偏振光当它们的反射面互相平行时可以发生干涉；但当反射面互相垂直时，干涉现象就消失。就是说，两束互相垂直的偏振的光线，彼此不发生干涉作用，而原来偏振方向相同的两束光，就好象寻常光线一样地可以发生干涉。 1817年，一直在为波动说的困难寻找解决办法的托马斯．杨觉察出，如果光的振动不是象声波那样沿运动方向作纵向振动，而是象水波或拉紧的琴弦那样垂直于运动方向作横向振动，问题或许可以得到解决。1817年初，杨写信给阿拉戈说：“……虽然波动说可以解释横向振动也在径向方向并以相等速度传播，但粒子的运动是在相对于径向的某个恒定方向上，而这就是偏振。”阿拉戈立即将托马斯．杨的这一新想法告诉了菲涅耳，菲涅耳当时已经独立地领悟到了这个思想，他立即以这一假设解释了偏振光的干涉的定律，而且还得出了一系列其他的重要结论，其中包括偏振面转动理论，反射和折射理论，双折射理论。但是，光振动是横向的这个假设是非常大胆的，因为根据弹性理论，在稀薄的以太里是不可能产生横向振动的。所以，阿拉戈虽然和菲涅耳一起进行了关于偏振光干涉的研究，而当菲涅耳用横波观点对实验结果进行解释时，阿拉戈却不敢和他一起发表这个新见解。论文的这一部分是以菲涅耳的名义表达的。 后来，菲涅耳把所有观察的结果总结成为一个完整的偏振光理论，其中包括相干概念和椭圆偏振。他发现了晶体中的波面，和支配反射光与折射光强度的定律。所有这些都是一些重大成就，由此建立了尚待解释的现象学。观察在真空内传播光的媒质―以太的性质，这本应是最大的成就。但是菲涅耳在这里遇到了不可克服的困难。 1818年，法国科学院提出了征文竞赛题目：一是，利用精确的实验定光线的衍射效应；二是，根据实验，用数学归纳法推求出光线通过物体附近时的运动情况。在阿拉戈的鼓励与支持下，菲涅耳向科学院提出了应征论文，他从横波观点出发，圆满地解释了光的偏振，用半周带的方法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹，而且与实验符合得很好。但是，菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子说者的反对，评奖委员会的成员泊松运用菲涅耳的方程推导出关于盘衍射的一个奇怪的结论：如果这些方程是正确的，那么当把一个小圆盘放在光束中时，就会在小圆盘后面一定距离处的屏幕上盘影的中心点出现一个亮斑；泊松认为这当然是十分荒谬的，所以他宣称已经驳倒了波动理论。菲涅耳和阿拉戈接受了这个挑战，立即用实验检验了这个理论预言，非常精彩地证实了这个理论的结论，影子中心的确出现了一个亮斑。在托马斯．杨的双缝干涉和泊松亮斑的事实的确证下，光的粒子说开始崩溃了。 菲涅耳的研究成果，标志着光学进入了一个新时期―弹性以太光学的时期。这个学说的成功，在牛顿物理学中打开了第一个缺口，为此他被人们称为“物理光学的缔造者”。菲涅尔镜片的原理和应用(里面有图)

早在17世纪，意大利的格里马第（—1663）就发现了光的衍射现象.在点光源照明下，如果在狭窄的光束路径上放置一物体，那么在置于其后的屏幕上就不是轮廓分明的影子，其影子不但比较模糊而且沿着影子边缘还出现彩带.格里马第称这种现象为“衍射”.后来，英国科学家胡克（—1703）也观察到类似的现象，但他们都未能对衍射现象作出正确的解释.�最先对光的衍射现象作出正确解释的是法国工程师奥古斯汀·菲涅耳（Augustin Fresnel,1788—1827）.他1806年从巴黎工科学校毕业，后来又在巴黎桥梁与道路专科学校学习三年，毕业后从事道路修理工作，当了八年工程师，由于他在光学研究方面崭露头角，菲涅耳就专门从事科学研究，自1814年开始，研究光的干涉和衍射现象.当时他并不知道英国科学家托马斯·杨（Thomas Young，1773—1829）的工作，但与杨氏一样，他把这些现象看作是光的波动说的证据.�1817年法国科学院举办了一次科学竞赛，要求参加者用精确的实验来演示光的全部衍射效应，并建立相应的理论.菲涅耳决定参加这次竞赛，他写了一篇叙述自己研究工作的论文，并于次年交给科学院.菲涅耳做过一系列光的衍射实验，他更精细地演示了格里马第的发现，在光源发出的光束照明下，一根细丝的影子内会出现明暗相间的光带.他用小孔实验证实，只要小孔的直径小到可以与光的波长相比拟时，光束通过小孔就能产生圆孔衍射图样，那是一圈一圈明暗相间的同心圆.他还演示了光通过圆屏、锐利的直边（例如刀口）、狭缝障碍时所产生的衍射效应.�在1818年应征论文中，菲涅耳在介绍他所进行的各种光的衍射实验的基础上，提出了今天被称为惠更斯—菲涅耳原理的新学说.惠更斯认为，在给出的ｔ时刻的波阵面可以看成是全部球面波的包络面，而在前一时刻ｔ０的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源.菲涅耳改进了惠更斯原理，并在此基础上建立了自己的理论.他认为，在ｔ时刻空间某一点的光波的幅值可以看成是所有球面波相干的结果，而在前一时刻ｔ０的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源.�菲涅耳根据这一原理研究了各种衍射现象，并创造了一种数学方法（菲涅耳波带法），定量计算了这些情况下衍射带的分布.他研究了光通过小孔的情形，并计算出在位于这个小孔后面的屏上应看到什么样的图样.根据他的计算，如果光是单色的，在屏上应看到一些明暗交替的环，菲涅耳计算出这些环的半径取决于孔的大小、光源到小孔的距离和小孔到观察屏之间的距离.�菲涅耳根据波动说还论述了各种不同衍射孔的光衍射的其他情形，并计算了衍射条纹的分布，菲涅耳的所有计算都与实验结果相符.�科学院成立了专门评比委员会来审议应征的所有论文.该委员会的成员都是当时法国有名的学者，他们是阿拉果（－1853）、泊松（－1840）、毕奥（，1774－1862）、拉普拉斯（，1749－1827）和盖·吕萨克（－1850）,其中泊松、毕奥和拉普拉斯都是相信光的微粒说的，而盖·吕萨克持中立态度.因此委员会不可能轻易相信菲涅耳的研究工作，但菲涅耳的计算结果与实验数据出色地符合，以致无法否定菲涅耳的论文，最后不得不授予他奖金.其中还发生了一件有趣的事情，评比委员会成员泊松看了菲涅耳的计算后发现，根据这些计算会得出一个难以置信的结论：在一个图片的阴影中应当出现一个亮点.但是迄今为止谁也不曾观察到这一情景，看来这是绝对不可能的．泊松提出这个问题想以此来驳倒菲涅耳的波动说.�菲涅耳面临这一严重考验，他的理论正确与否，必须用实验来检验.菲涅耳的理论指出，只有当图片的半径很小时，这个亮点才明显，于是他又做了一次实验，结果真的得到泊松所提到的亮点，这充分证明了菲涅耳波动理论的正确性，后人戏剧性地称这个亮点为泊松亮点（或称泊松亮斑）.因此，人们常常把菲涅耳提出的衍射理论及其实验证明，作为他对波动光学的第一大贡献.�菲涅耳的成就对光的微粒说的信奉者是一大震动，使毕奥、拉普拉斯、泊松等拥护微粒说的知名学者也无言对答；而阿拉果在这一成就的感召下改信波动说了.�在这一时期，德国的夫琅和费（—1826）也对衍射现象进行了研究，但他与菲涅耳的研究不同，理论也更简单.菲涅耳演示的衍射实验，其光源和屏距衍射孔都不是无限远，因而对衍射孔都有一个张角．而夫琅和费研究衍射现象，将望远镜对准狭缝光源，并让狭缝成像在目镜的焦平面附近，这样入射光与出射光都是平行光，可以认为光源和光屏距衍射孔是无限远.我们把这种方式产生的衍射称为“夫琅和费衍射”，而前者称“菲涅耳衍射”.可以看出，夫琅和费衍射是菲涅耳衍射的一种极限情形，而且数学上更容易处理.�当然，菲涅耳的理论也不无缺点，菲涅耳开始把光波看作纵波，不能解释光的偏振，因此竭力回避这些问题.一直到马吕斯（—1812）发现了光的偏振现象后，菲涅耳才根据杨氏的提议把光看成是横波，这样不仅完善了光的波动说，而且由此出发，解释了光的偏振现象，完成了他对光偏振的一系列研究，这是他对波动光学的又一贡献.菲涅耳于1823年被选为巴黎科学院院士，1825年又被选为伦敦皇家学会会员，遗憾的是，菲涅耳卓有成就的一生太短暂了，他只活了39岁，于1827年因患肺病，在巴黎附近的乡间逝世.�还有一事值得一提，杨氏与菲涅耳先后都对波动光学作出了重要贡献，但他们之间并无激烈的优先权之争，他们之间的关系是友好与谦恭的.菲涅耳在1816年给杨氏的信中说道：“如果有什么能够安慰我没有获得优先权的利益的话，那就是：对我来说我遇到了以如此大量的重要发现丰富了物理学的学者，同时他大大地有助于加强对于我所采用的理论的信心”.而杨氏在1819年给菲涅耳的信中写道“先生，我为您赠送令人敬羡的论文表示万分感谢，在对光学进展最有贡献的许多论文中，您的论文确实也是有很高的地位的。”

所谓菲涅尔反射就是用波动的理论来解释光的反射。主要包括一些电磁场的边界传输条件，比如P矢量和S矢量的反射，菲涅尔用波动学说第一次从本质上解释了光的传播，而之前人们只能从宏观上进行试验，无法从微观的理论上获得支持。然而缺少微观理论支持的定律总是空虚的，随时都可能被推翻的。

啊哈哈哈哈哈 、可怜的娃啊 、