科学家首次绘制光线穿过小孔发生衍射图
http://www.sina.com.cn 2008年05月12日 07:38 新浪科技
新浪科技讯 北京时间5月12日消息，据国外媒体报道，光的直线传播是有其局限性的，当光线穿过尺寸比其波长还要微小的小孔时，就会发生非常明显的衍射现象。一个由多国科学家组成的研究小组日前称，他们最近首次绘制出光是如何穿过小孔并发生衍射现象的。
从长远来看，此次研究还预示着太拉赫显微镜学和太拉赫光谱学的重大进步，前者是一种潜在、有趣的新型成像技术，后者是使用光来鉴别物质微小数量的一项技术。最新出版的一期《光学快报》杂志将详细刊登他们的最新发现。
物理学告诉我们，要让光通过一个比光的波长一半还小的小孔异常困难。在同事们的帮助下，代夫特理工大学的研究人员们成功地利用太拉赫辐射进行了实验，实验中用到的这种太拉赫辐射是频率接近1012赫兹的远红外光。利用这种辐射，研究人员们可以测量穿透光在小孔附近的电场力，而不是平常所测量的穿透光的强度，因为光的电场值更能揭示光在此种情况下的表现。通过使用激光束测量小孔附近晶体的折射率，研究人员们以极高的精确度测量出了电场力的大小。由于晶体的折射率在不同的电场中的折射率略有不同，因此研究人员们可以通过测量折射率的变化程度，得出光在小孔附近电场力的值。
代夫特理工大学的普兰肯说：“由于技术条件不够，因此以前从未有人对这个过程进行过测绘。”该实验被称为“鲍卡姆普模型”，以荷兰飞利浦公司的一位研究员命名，他于1950年创造出了光穿过小孔的理论模型，实验首次证实了这一研究结果。例如，根据鲍卡姆普的预测，电场强度在小孔的边缘处最大，并且电场强度会随着使用的太拉赫光的频率的降低而降低。通过实验研究人员们还发现，即使小孔比光的波长小50倍，仍有大量的光能穿过小孔，这使小孔附近的测量成为可能。这一技术还使研究人员们能够记录光穿过小孔的整个过程，从而可以通过放慢一万亿倍的速度来观察光穿过小孔，以及光波以环形波状向外移动的过程。
普兰肯及其同事的这些新发现不仅是基础科学角度的重大成果，还将有助于研发太拉赫显微镜学的使用。从长远来看，普兰肯希望使用微型小孔作为改进的太拉赫光源，这些光源孔越小，利用太拉赫显微技术成的像就越清晰，测量物质微小数量就越容易。太拉赫辐射(频率约1012赫兹)是一种电磁辐射，它正日益频繁地用于图像创建。例如，许多材料，如纸、布和塑料都会阻止可见光，却在太拉赫辐射面前呈透明状。
光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，就会发生离开直线路径绕道障碍物阴影里去的现象。产生衍射的条件是：由于光的波长很短，只有十分之几微米，通常物体都比它大得多，但是当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射。当狭缝很宽时，缝的宽度远远大于光的波长，衍射现象极不明显，光沿直线传播，在屏上产生一条跟缝宽度相当的亮线；但当缝的宽度调到很窄，可以跟光波相比拟时，光通过缝后就明显偏离了直线传播方向，照射到屏上相当宽的地方，并且出现了明暗相间的衍射条纹，纹缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽。