傅氏光學 ─ 繞射簡介

繞射是一個非常特別的物理現象，是當光傳播的橫向方向被局限時才有機會看到，對於人們物理學與工程中處理波的傳遞時，扮演著極為重要的角色。我們定義所謂的繞射現象為，光在行進中，在與光波波長大小相當的障礙物附近，光的傳播方向發生變化的現象稱之；是一種複雜的光學現象。有趣的是，並不是只有針孔才有繞射，而是所有光的行進皆有繞射。

歷史

自古以來，人們對光線非常的好奇，也曾經提出過許多看法。一直到十七世紀，科學的種子開始萌芽，許多的科學家提出了對於「光」一套看法與理論，其中最為眾人所接受與爭議的是「光的粒子說」與「光的波動說」。

牛頓(Isaac Newton)提出光的粒子說，其中提到，光是一種粒子，平時是直線前進，但入射不同介面時，會因兩介質的密度不同而造中其運動方向改變；即為折射與反射。格雷馬第(Grimaldi)在1665年時發現光的繞射效應；光除了直線傳播、反射、折射外，在某些情形下，光還能以其他形式傳播。而當時牛頓亦與格雷馬第的理論做了妥協解釋道，繞射現象是粒子移動於乙太中所產生的局部波造成的。

與牛頓同時，虎克(Hooke)提出光是一種波動，在虎克之後，海更斯(Huygens)更以虎克的假說為基礎，提出「次波源說」(Secondary sources)；海更斯認為，波前上的每一點皆可做為產生下一個球面波的點波源，而且任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡(envelope)，如圖 1。但礙於當時的知識與技術，其難以證明光會繞射，因此其學說在當時不被重視。

圖 1  次波源說示意圖

1845年，法拉第(Faraday)發現了光是一種電磁波，並由馬克斯威爾(James Clerk Maxwell)利用數學式子證明了光是一種電磁波。但之後又有許多實驗突顯光的粒子性，使科學家們對光的特性爭論不休，直到十九世紀初，愛因斯坦提出了「光的二象性」才結束了這場跨世紀的爭論。