衍射与干涉模拟计算器

衍射与干涉模拟计算器

衍射与干涉模拟计算器
输入波长与狭缝/圆孔几何,实时渲染夫琅禾费远场条纹,并给出条纹间距、主极大宽度、角色散、分辨本领、爱里斑半径与瑞利判据等工程可直接引用的数值。支持单缝衍射、双缝干涉、N 缝阵列(光栅)与圆孔衍射四种模式。
a·sinθ = mλ(衍射暗纹) ·  d·sinθ = mλ(干涉主极大) ·  I(θ) ∝ [sin β / β]²



常用:405 / 532 / 633 / 1064 / 1550 nm


自由空间需满足远场条件;后焦面即傅里叶面,任意孔径都成立
典型工况预设






单缝夫琅禾费衍射

主要结果
强度分布曲线(含暗纹/主极大位置标记)
远场衍射图(实时渲染)
色标




完整数据表

核心公式与原理

单缝衍射强度分布
I(θ) = I₀ · [ sin β / β ]²,β = (π a / λ)·sinθ
a 为缝宽。β = 0 时取极限值 1(中央亮纹)。这是整个工具的基础公式。
衍射暗纹条件
a·sinθ = mλ,m = ±1, ±2, …
一级暗纹 sinθ = λ/a,中央亮纹角宽约 2λ/a。缝越窄(a 越小)条纹越宽,这是最常用的估算式。
副极大位置与强度
tan β = β ⇒ β = 4.493, 7.725, 10.904…
副极大相对强度 = 1/(1+β²),第一副极大仅约 4.72%,第二 1.65%,第三 0.83%。所以远场图必须用对数强度才看得见。
双缝干涉因子
I = I₀ · [sinβ/β]² · cos²(π d·sinθ/λ)
双缝是「单缝衍射包络 × 双缝干涉」的乘积。条纹间距 Δy = λL/d,单条纹半高宽 λL/2d。
缺级条件
m = n · (d/a),n = 1, 2, 3 …
当 d/a 为整数 时,第 d/a、2d/a… 级干涉主极大恰好落在衍射包络的暗纹上而被完全抑制,称为缺级。设计缝数与缝宽时必须避开。
N 缝阵列(光栅)
I = I₀ · [sinβ/β]² · [ sin(Nα) / sinα ]²,α = (π d/λ)·sinθ
主极大锐利程度 ∝ N,峰值强度 ∝ N²,但包络内可见的主极大个数只由 d/a 决定,与 N 无关。
光栅分辨本领
R = λ/Δλ = m·N
主极大半高宽 ≈ 2λL/(N d cosθ),角色散 dθ/dλ = m/(d cosθ)。提高缝数 N 与提高级次 m 都能提升分辨本领。
圆孔衍射(爱里斑)
I(θ) = I₀ · [ 2·J₁(u) / u ]²,u = (π D/λ)·sinθ
J₁ 为第一类第一阶贝塞尔函数。第一个零点 u = 3.8317,对应 sinθ = 1.2197 λ/D。
瑞利判据与半高全宽
θ_R = 1.22 λ/D (FWHM = 1.029 λ/D)
两者量纲不同,务必区分:1.22 λ/D 是第一暗环的半径,而 1.029 λ/D 是全宽,等于半宽 0.514 λ/D。因此 FWHM 只有爱里斑直径(2.44 λ/D)的约 42%——用「两峰刚好落在第一暗环上」估算分辨极限会明显偏保守。
爱里斑内的能量
EE(u) = 1 − J₀(u)² − J₁(u)²
第一暗环内仅含约 83.8% 的能量,第二暗环内 91.0%,第三暗环内 93.8%。其余散在旁瓣中——这就是高 NA 系统边缘能量损失的原因。
夫琅禾费远场条件
N_F = 结构尺寸² / (λ·L) ≪ 1
自由空间传播到屏面时,N_F 超过 0.5 条纹位置开始出现可见偏差,超过 2 必须改用菲涅耳衍射。但若在透镜后焦面观察,透镜本身就对孔径做傅里叶变换,任意孔径都满足夫琅禾费条件——这正是 1 英寸孔径能在透镜焦面看到标准爱里斑的原因。工具提供两种观察几何并实时给出 N_F。

常见问题(FAQ)

单缝、双缝、N 缝、圆孔四种模式该怎么选?

看你要的是「包络」还是「干涉」:单缝给出最干净的衍射包络,是估算「缝宽 → 条纹宽度」的基础;双缝在包络上叠加干涉条纹,是理解杨氏干涉与缺级的标准模型;N 缝把条纹锐化成窄主极大,是光栅与光谱仪的设计口径;圆孔给出爱里斑,对应显微与望远系统的分辨率极限。四者公式不同,但都由同一个 β = π·尺寸·sinθ/λ 支配。

为什么远场图要用对数强度?

因为副极大相对主峰只有约 4.7%,双缝的旁瓣更低、而 N 缝主极大与旁瓣的强度差达到 N² 倍。线性色标下这些结构全部被压成黑色,看起来「只有一条亮线」。工具默认开启对数强度并把显示下限设在 −46 dB,同时你可以切换线性模式。

缺级是怎么回事?工程上要注意什么?

缺级指某些干涉级次恰好落在衍射包络的暗纹上而消失,条件是 d/a 为整数。例如 d = 200 µm、a = 50 µm 时 d/a = 4,则第 ±4、±8、±12 级全部缺失。后果是实际可用级次数比理论少了约 1/4 光栅常数倍,若按无缺级估算光谱范围就会算错。设计光栅时通常取 d/a 为非整数。

d 小于 λ 会发生什么?

此时不存在满足 d·sinθ = mλ 的物理方向(因为 sinθ 不能大于 1),所以完全没有干涉条纹,只能看到单缝衍射包络。工具会在这种情况下给出明确告警而不是画出不存在的条纹。同理,单缝一级暗纹要求 λ/a 小于 1,若 λ 大于缝宽则连一级暗纹都看不到。

缝间距 d 是中心距还是间隙?

本工具统一使用中心到中心的距离(光栅常数 d)。如果手上的是两缝之间的间隙g,需换算为 d = g + a。这一条最容易出错:间隙与中心距混用会让条纹间距算错一个 a/d 的比例。

屏距 L 起什么作用?

L 把角度换算成屏面坐标 y = L·tanθ,因此只影响条纹的线性尺寸,不影响角分布。例如单缝一级暗纹在 1 m 处是 12.66 mm,在 2 m 处就是 25.3 mm。凡是问「屏上条纹多宽」的问题都必须给 L;只问发散角时才与 L 无关。

夫琅禾费数 N_F 是什么意思?为什么大孔径常提示不满足?

N_F = 结构尺寸²/(λL) 度量的是衍射的「近场/远场」程度。N_F 远小于 1 时本工具的解析解成立。需要注意两点:一是它随孔径的平方增长,所以 1 英寸(25.4 mm)孔径在 2 m 处的 N_F 已超过 100,自由空间远场条件远远不满足;二是这正是透镜存在的意义——在透镜后焦面观察时透镜对孔径做傅里叶变换,任意孔径都会给出夫琅禾费图样,此时应把屏距理解为焦距 f。因此工具提供「自由空间屏面」与「透镜后焦面」两种观察几何:前者按 N_F 严格告警,后者直接判定远场成立。实际测量爱里斑与狭缝远场条纹基本都在透镜焦面进行。

本工具的数值精度如何?

全部结果由闭式解析解给出,不做数值积分或离散采样,因此没有累积误差。贝塞尔函数 J₀/J₁ 采用「级数 + 渐近展开」的混合算法(切换点 u = 12 经实测优化),与 scipy 参考实现相比误差约 1.5×10⁻¹¹。所有爱里斑零点、亮环位置与副极大根值均由 brentq 求根得到而非查表,并已与文献标准值逐一核对。

远场图是数值计算出来的吗?

不是。矩形孔径的二维傅里叶变换是可分离的(横向 sinc × 纵向 sinc),圆孔则是径向对称的,所以远场图直接用解析式逐像素求值,没有任何 FFT 网格限制,在任意画布分辨率下都精确。这也是本工具在 a 远小于 λ 时依然能给出正确图形的原因——那种情况下条纹落在 sinθ 大于 1 的非物理区域,任何有限网格的 FFT 都无法呈现。

与站内其他计算器如何配合?

本工具解决「孔径 → 远场图样」。若要预测非理想光束(高斯光束、M²)的远场发散,请用多透镜高斯光束传播计算器;若要看波前相位与焦深,则用谐振腔类工具。本工具的圆孔模式与艾里斑公式可作为几何光学极限的基准,用来判断系统是受衍射限制还是受像差限制。

单位约定是什么?

波长以 nm 输入(内部换算为 µm);缝宽与孔径以 µm 输入;屏距 L 以 mm 输入(便于直接填 1000 表示 1 m)。结果中的长度按量级自动在 µm 与 mm 之间切换显示;角度用 deg;强度为相对值(中央主峰归一化为 100%)。N 缝模式的峰值强度另以「相对单缝的 N² 倍」单独给出。

适用范围与免责声明:本工具给出的是夫琅禾费(远场)衍射在标量近似下的解析解,假定:孔径为理想几何形状(矩形/圆形,无边缘粗糙度)、均匀照明、相干单色光、观察面垂直于光轴、偏振效应可忽略(狭缝长边与偏振方向垂直时可成立)。不适用于:非均匀或部分遮挡的复杂孔径(此时需做数值 FFT)、近场(菲涅耳)区、各向异性材料、粗糙表面散射、体散射介质。高 NA(NA ≳ 0.8)时标量近似误差显著,需用矢量衍射(如 RCWA 或时域有限元)求解。实际光束还受 M²、像差与偏振影响,测得条纹通常比理想计算弥散。所列衍射极值(爱里斑零点、副极大根等)引自数学常数表,属精确值。