圆柱体的空间圆锥光反射、折射与衍射

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1、第)"卷第6期$##$年6月物理学报=>?’)"，/>’6，;-@A-B3-C，$##$"###.5$6#／$##$／)"（#6）／"6!$.#%70879,:;<07;4’!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!圆柱体的空间圆锥光反射、折射与衍射赵建林杨德兴（西北工业大学应用物理系，西安!"##!$）（$##"年""月%日收到；$##"年"$月$&日收到修改稿）用准直或会聚激光束倾斜照射圆柱体时，其反射光、透

2、射光（柱体透明时）、衍射光（柱体较细时）的叠加将形成以光束入射点为顶点的空间圆锥形光面（空间光锥），并且在垂直于柱体轴线方向的观察平面上投影成一圆形光环’空间光锥的形成与所选圆柱体材料及其粗细无关，只要其表面具有一定反射能力即可’空间光锥的锥角等于入射光束主光轴与圆柱体轴线夹角的$倍，与圆柱体和照射光束的直径大小及光波长无关’给出了对光纤及不同直径大小的玻璃和金属圆柱体的实验观察结果，并利用矢量图解法对其进行了详细地理论分析’进而得出，通常所谓单丝衍射图样，实际上是细丝的衍射和其表面的反射光场的叠加图样，对于透明细丝，还包括其透射光场的贡

3、献’圆柱体的这种空间圆锥光反射和衍射原理有可能用于光束定位、成形、表面检测以及三维面形测量等’关键词：圆柱体，空间光锥，投影光环!"##：($$)*，($##表面的反射；对于透明的粗圆柱体，主要是表面反"+引言射和柱体折射的综合效应；在细丝情况下，以衍射效应为主’本文详细讨论这种圆锥光面的特点、起相干光束照射下的细丝衍射及圆柱体的散射因及可能的应用前景’现象及其应用始终是一个热点研究课题［"—&］’我们在观察细丝的衍射现象时发现，当用一束准直或会$+空间光锥的实验观察聚激光倾斜照射一圆柱体时，将形成以光束入射点为顶点的空间圆锥形光面（空间

4、光锥），并且在垂直于柱体轴线方向的观察平面上投影成一圆形光环’$%&%细激光束照射空间光锥的形成与所选圆柱体材料及其粗细无关，如图"所示，由,-./-激光器发出的细激光束只要其表面具有一定反射能力即可’光锥锥角等于倾斜照射在表面光滑的圆柱体!上，设"点为主入射光束主光轴与圆柱体轴线夹角的$倍，与入射入射点，圆柱体轴线位于入射面内，且与入射光束光波长、圆柱体及光束的直径大小无关’进而，对各夹角为!（即掠射角），在垂直于圆柱体轴线方向的种不同粗细的透明和不透明圆柱体在未扩展及扩光屏#上直接观察或在光屏后用面阵001摄像机展的准直激光束倾斜照射

5、下形成的空间光锥分别记录光锥的投影图样$进行了实验观察，均得到类似的结果’理论分析表图$为用细激光束倾斜照射光纤丝时，由001明，这种空间光锥是圆柱体对倾斜入射的相干光束摄像机在观察屏#上拍摄到的空间光锥的投影光所引起的反射光、折射光及衍射光相互叠加的综合环$其中图$（2）为单根光纤丝引起的投影光环，图$效应’对于不透明的粗圆柱体，主要起因于圆柱体（3）和（4）为正交叠置的两根光纤丝同时引起的投影光环和直线状投影光带$这里，直线状投影光带由与入射光束在竖直面内正交的光纤引起，投影光环和光带上还能观察到衍射和干涉条纹图样$图5为同样光路条件

6、下拍摄到的不同圆柱体图"圆柱体的空间圆锥光反射、折射与衍射实验光路引起的空间光锥的投影光环$可以看出，图5（2）所万方数据示由空心玻璃棒引起的投影光环的强度分布较均&期赵建林等：圆柱体的空间圆锥光反射、折射与衍射$&/)图!光纤在细激光束照射下的投影光环（"）单根光纤；（#）两正交光纤（!较小，!$!%&’!）；（(）两正交光纤（!$较大，!!%&’!）图)不同圆柱体在细激光束照射下的投影光环（"）空心玻璃棒（"，"）；（#）实心玻璃棒（"%$%$**!%+,-**),+**）；（(）金属棒（"%),)**）；（.）大头针（"%’,/**

7、）匀，类似于图!所示图样，表明该投影光环主要由!"!"扩展的准直激光束照射空心玻璃棒内直径较小的芯引起#图)（#）所示投影光环上下断开，光能量主要分布在光束主透射方向将图$中的细激光束扩展并准直，使其直径大（底部）和主反射方向（顶部）附近，表明相应的实心于被照射的圆柱体（实验中所用光束直径约为玻璃棒直径大于照射光束直径，因而投影光环主要!1**），则在观察屏$上得到由不同圆柱体形成的空间光锥的投影光环如图0所示#图中可清楚看到由玻璃棒的折射和表面反射引起#图)（(）所示投影光环下部的照射光斑及其因圆柱体遮挡所留下的光环的光能量主要集中在顶

8、部光束主反射方向附部分阴影#近，表明主要由金属棒顶部附近表面的反射所致#与此不同的是，由细金属棒（大头针）引起的如图)!"#"会聚激光束照射情况（.）所示投影光环上的光强度分布则较均匀，显然，