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目 录

1.引言 3

2.夫琅禾费衍射综述 3

2.1夫琅禾费衍射 3

2.1.1惠更斯-菲涅尔原理 3

2.1.2衍射的条件 6

2.2夫琅禾费衍射仿真 7

2.2.1单缝的夫琅禾费衍射理论分析 7

2.2.2单缝的夫琅禾费衍射MATLAB仿真 8

3.大气电磁参数对夫琅禾费衍射的影响 10

3.1大气电磁参数对夫琅禾费衍射影响理论研究 10

3.1.1大气温度对夫琅禾费衍射的影响 11

3.1.2大气压强对夫琅禾费衍射的影响 11

3.1.3大气二氧化碳浓度对夫琅禾费衍射的影响 11

3.1.4大气相对湿度对夫琅禾费衍射的影响 12

3.1.5大气电磁参数对X射线衍射的影响 13

3.2大气电磁参数变化对夫琅禾费衍射影响仿真分析 16

3.2.1温度对夫琅禾费衍射影响的仿真分析 16

3.2.2压强对夫琅禾费衍射影响的仿真分析 17

3.2.3二氧化碳浓度对夫琅禾费衍射影响的仿真分析 18

3.2.4相对湿度对夫琅禾费衍射影响的仿真分析 19

4.总结 20

参考文献 21

致 谢 22

大气电磁参数对夫琅禾费衍射的影响

高上，20131388074

,China

Abstract: Based on the brief analysis of the diffraction principle and the simple analysis of the single slit diffraction, the influence of the atmospheric electromagnetic parameters on the Fraunhofer diffraction is studied emphatically. Through the analysis and comparison of MATLAB simulation results, it can be concluded that the atmospheric temperature, pressure, carbon dioxide concentration and relative humidity have little effect on the diffractive effect of Fraunhoferi in the visible range, and the conventional detection instruments Because of its detection accuracy, it is difficult to detect the effect of atmospheric electromagnetic parameters on the diffraction of diffractive visible light. In the present study and analysis, we can not consider the influence of different atmospheric electromagnetic parameters on the diffraction wavelength of visible light for visible wavelengths. However, for X-rays and gamma-rays, where the wavelengths of X-rays are very short between 0.01-100 Angstroms and the gamma-ray wavelength is less than 0.01 angstroms, we can not ignore the different atmospheric electromagnetic parameters (mainly temperature and pressure) The Influence of Langhe Fei Diffraction. The above results can help to understand the diffraction and its research methods, on the other hand, expand the influence of atmospheric electromagnetic parameters on the diffraction effect.

Key words: Fraunhofer diffraction; Temperature; Pressure; Relative humidity; Carbon dioxide concentration; X-ray

1.引言

衍射在我们的日常生活中无处不在：水波可以通过带有小孔的屏，传播到屏后的广泛区域；在室内，人们即使看不见窗户外面的发声物，却能够听得见室外的喧闹声；物体在投影仪的照射下，在幕布的边缘会有色彩显现出来。这些现象表明波可以绕开障碍物进行传播，也就是光的衍射。

依据障碍物距离光源和屏幕上观察点的远近，衍射可以被划分成两类：一类是夫朗禾费，另一类则是菲涅尔。其中夫朗禾费因为其理论简洁和应用广泛，得到了深刻研究。对夫琅禾费的研究大多在真空环境下展开，但它在空气环境下更为常见，查询相关资料，关于大气电磁参数对夫琅禾费衍射影响的研究很少涉及。理论上，夫琅禾费在不同环境中会展现出不一样特性。因为不同温度、压强、二氧化碳浓度或者相对湿度下，空气折射率不同，从而影响夫琅禾费。夫琅禾费在大气中具有十分重要的应用，因此研究大气电磁参数对其影响具有显著意义。

本文在概述衍射原理并对单缝衍射进行简要分析的基础上，着重研究大气电磁参数对夫琅禾费衍射的影响，通过对MATLAB仿真结果的分析和比较，可以得出：在可见光范围内，当其他条件不变时，大气温度、压强、二氧化碳浓度、相对湿度对夫琅禾费衍射效应影响较小，常规探测仪器因其探测精度的限制，很难探测出大气电磁参数对可见光夫琅禾费衍射的影响，提高探测仪器精度是探测大气电磁参数对可见光夫琅禾费衍射影响的有效途径。在长波段，大气参数对衍射影响较少，一般情况下可忽略影响。但在短波长段，随着光学检测技术的进步，探测精度的提高，大气电磁参数对可见光夫琅禾费衍射影响的研究也将不断发展。

对于X射线和γ射线，其中X射线的波长很短约介于0.01—100埃之间，γ射线的波长小于0.01埃，我们就不能忽略不同大气电磁参数（主要是温度和压强）对夫琅禾费衍射的影响。

通过课题研究一方面深入理解衍射及其研究手段，另一方面拓展大气环境对衍射影响的认识。通过本文写作，初步了解科学研究的基本程序、研究方法，初步掌握科技论文的选题、研究和写作方法，为今后从事相关的科研、教学和具体工作打下坚实的基础。

2.夫琅禾费衍射综述

2.1夫琅禾费衍射

2.1.1惠更斯-菲涅尔原理

惠更斯与菲涅耳理论是探究衍射现象的基础理论。波动拥有两种基本的性质，其一它传播时具有扰动性，一点的扰动可以引发另一点的扰动，各个点之间的扰动是有关联的；其二，它具备时空周期性，可以产生相干迭加。惠更斯理论中“次波”一词体现了如上前一个基本性质，这便是惠更斯原理成功所在。但当时对波动的认识还停留于表面，惠更斯原理没有考虑波的时空周期性，也没有使用波长的概念，所以并未真正谈到波的传播。没有上述后一基本性质，那么关于各个次波应该如何相干迭加的问题，也就不能够给出使人信服的回答。

因为牛顿拥有极大的威望，以牛顿为代表的光的微粒说具有强大影响，占据主流地位，以惠更斯为代表的波动理论几乎长期停滞不前。19世纪上半叶，光波动理论以崭新的面貌又得到人们的重视，这主要是英国物理学家托马斯.杨的贡献。他总结前人的理论与经验，设计了一个巧妙的实验，即光学历史上著名的“杨氏双缝干涉实验”。杨氏用波迭加原理解释了薄膜颜色，第一次使用“干涉”概念描述波互相之间的作用；并且杨氏成功地说明了出现在影界周围光衍射的条纹，他把衍射看作是透过狭缝的光与边界波间的相互干涉。光的干涉现象是以牛顿为主的微粒说不能够解释的，强有力地证明光是具有波动性的，它从本质上动摇了微粒说。此后法国年经工程师菲涅耳结合惠更斯理论和杨氏干涉理论，进行严格的逻辑推理，提出了菲涅尔积分，衍射问题最终被成功解决，用“次波相干迭加”的思想把全部衍射情况概括到同一原理中来，波动说获得重大胜利。

惠更斯与菲涅尔原理的基本内容是：波面上的任一点都能看成是发出球面子波的波源（频率与原波相同），在它以后空间任一点处的光振动是这些子波迭加的结果。如图1，L是点光源,是L产生的球面波在某一时刻到达的波面，Q 是波场中的某一点。惠更斯与菲涅耳理论将面划分为无数个小面元，将任意一个看成为产生次波的波源，并且任意面元产生的次波将会在Q点重合,引起Q点的扰动。大部分情况下，因为各个面元到Q点处的光程不一样，所以Q点产生的振动位相不一样，Q点的总扰动即是所有次波在Q点相干迭加产生的现象。

原理图如下：

L

Q

图1 惠更斯-菲涅尔原理图

事实上此原理可以被理解地更加深刻一些，也就是上述的面不需要是从L点发射的光波波面，它可能是源点L与点Q之间的任何曲面（波前）。但是这样就应该考虑到因为L到面上各个面元的光程都不相同，所以这些次波源有各自的位相。因为是相干迭加，则可以使用复振幅的概念。令是由波前上的产生的次波在点Q引起的复振幅，那么Q点处的总的扰动是：

（1）

上式便为惠更斯—菲涅耳理论的方程关系式，但是如果要用它来计算，还要进一步具体化。假设：

（2）

（3）

（4）

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