菲涅耳衍射实验的历史回顾
作者：佚名
早在17世纪，意大利的格里马第（F. M. Grimaldi，1618-1663）就发现了光的衍射现象.在点光源照明下，如果在狭窄的光束路径上放置一物体，那么在置于其后的屏幕上就不是轮廓分明的影子，其影子不但比较模糊而且沿着影子边缘还出现彩带。格里马第称这种现象为“衍射”。后来，英国科学家胡克（R. Hooke, 1635-1703）也观察到类似的现象，但他们都未能对衍射现象作出正确的解释。
菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，1788-1827）法国物理学家。1788年5月10日生于布罗利耶，1827年7月14日卒于阿夫赖城。先后毕业于巴黎工艺学院与巴黎桥梁与公路学校。一直在法国政府的一些部门当工程师。他在1823年当选为法国科学院院士，1825年为英国皇家学会会员。
菲涅耳的科学成就主要有两个方面。一是衍射，他以惠更斯原理和干涉原理为基础，用新的定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯-菲涅耳原理。以此加上其巧妙的半波带法，他简单而定量地预言和说明了光的直狭缝、圆孔、圆屏及直边等的衍射（亮度分布及变化）的现象，有力地击败了当时在法国权威界盛行的光的微粒说。他改进了杨氏双缝类的分波前干涉而设制出干涉效果好得多的双面镜与双棱镜干涉装置，还制出了有如透镜聚焦作用的半波带片。他的另一成就是在光的偏振方面：他与D .F. J. 阿拉戈一起研究了偏振光的干涉，肯定了光是横波；他发现了圆和椭圆偏振光，用波动说解释了偏振光的左右旋和旋光现象；他用光的固体弹性波理论推导出介质表面上反射与折射光的在不同振向的振幅和强度的菲涅耳公式，从理论上得到分振幅干涉中出现的半波损失问题；解释了E.-L.马吕斯的反射光偏振现象和双轴晶体中的双折射现象，从而建立了晶体光学的基础。菲涅耳是较早研究运动介质中光学问题的人，为此他对以太在运动媒介中的状态作了必要的提议；这在以太问题的讨论中曾产生过影响，他提出地球（或相对以太运动的介质）运动时部分地曳引其中的以太的观点，并给出了相应的曳引系数〔即相对以太的速度为v而折射率为n的介质中的光速。这点为后来A. H. L.菲佐的拖曳实验所证实，但却与以前和以后的一些别的有关以太的实验结果相矛盾，导致后来经典动体光学和电学中的种种困难，这些直到A.爱因斯坦的相对论出现之后才被解决。
最先对光的衍射现象作出正确解释的是菲涅耳。他1806年从巴黎工科学校毕业，后来又在巴黎桥梁与道路专科学校学习三年，毕业后从事道路修理工作，当了八年工程师，由于他在光学研究方面崭露头角，菲涅耳就专门从事科学研究，自1814年开始，研究光的干涉和衍射现象.当时他并不知道英国科学家托马斯·杨（Thomas Young，1773-1829）的工作，但与杨氏一样，他把这些现象看作是光的波动说的证据。
1817年法国科学院举办了一次科学竞赛，要求参加者用精确的实验来演示光的全部衍射效应，并建立相应的理论。菲涅耳决定参加这次竞赛，他写了一篇叙述自己研究工作的论文，并于次年交给科学院.菲涅耳做过一系列光的衍射实验，他更精细地演示了格里马第
的发现，在光源发出的光束照明下，一根细丝的影子内会出现明暗相间的光带.他用小孔实验证实，只要小孔的直径小到可以与光的波长相比拟时，光束通过小孔就能产生圆孔衍射图样，那是一圈一圈明暗相间的同心圆.他还演示了光通过圆屏、锐利的直边（例如刀口）、狭缝障碍时所产生的衍射效应。
在1818年应征论文中，菲涅耳在介绍他所进行的各种光的衍射实验的基础上，提出了今天被称为惠更斯—菲涅耳原理的新学说.惠更斯认为，在给出的t时刻的波阵面可以看成是全部球面波的包络面，而在前一时刻t0的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源.菲涅耳改进了惠更斯原理，并在此基础上建立了自己的理论。他认为，在t时刻空间某一点的光波的幅值可以看成是所有球面波相干的结果，而在前一时刻t0的波阵面上的所有各点是这些球面波的波源。
菲涅耳根据这一原理研究了各种衍射现象，并创造了一种数学方法（菲涅耳波带法），定量计算了这些情况下衍射带的分布.他研究了光通过小孔的情形，并计算出在位于这个小孔后面的屏上应看到什么样的图样.根据他的计算，如果光是单色的，在屏上应看到一些明暗交替的环，菲涅耳计算出这些环的半径取决于孔的大小、光源到小孔的距离和小孔到观察屏之间的距离.
菲涅耳根据波动说还论述了各种不同衍射孔的光衍射的其他情形，并计算了衍射条纹的分布，菲涅耳的所有计算都与实验结果相符。
科学院成立了专门评比委员会来审议应征的所有论文。该委员会的成员都是当时法国有名的学者，他们是阿拉果（D.F.Arage,1786-1853）、泊松（S. D. Poisson，1781-1840）、毕奥（J. B. Biot，1774-1862）、拉普拉斯（P. S. Laplace，1749-1827）和盖·吕萨克（J. L. Gay-Lussa，1778-1850），其中泊松、毕奥和拉普拉斯都是相信光的微粒说的，而盖·吕萨克持中立态度。因此委员会不可能轻易相信菲涅耳的研究工作，但菲涅耳的计算结果与实验数据出色地符合，以致无法否定菲涅耳的论文，最后不得不授予他奖金.其中还发生了一件有趣的事情，评比委员会成员泊松看了菲涅耳的计算后发现，根据这些计算会得出一个难以置信的结论：在一个图片的阴影中应当出现一个亮点.但是迄今为止谁也不曾观察到这一情景，看来这是绝对不可能的．泊松提出这个问题想以此来驳倒菲涅耳的波动说。
菲涅耳面临这一严重考验，他的理论正确与否，必须用实验来检验.菲涅耳的理论指出，只有当图片的半径很小时，这个亮点才明显，于是他又做了一次实验，结果真的得到泊松所提到的亮点，这充分证明了菲涅耳波动理论的正确性，后人戏剧性地称这个亮点为泊松亮点（或称泊松亮斑）。因此，人们常常把菲涅耳提出的衍射理论及其实验证明，作为他对波动光学的第一大贡献。
菲涅耳的成就对光的微粒说的信奉者是一大震动，使毕奥、拉普拉斯、泊松等拥护微粒说的知名学者也无言对答；而阿拉果在这一成就的感召下改信波动说了。
在这一时期，德国的夫琅和费（J. V. Fraunhofer，1787-1826）也对衍射现象进行了研究，但他与菲涅耳的研究不同，理论也更简单.菲涅耳演示的衍射实验，其光源和屏距衍射孔都不是无限远，因而对衍射孔都有一个张角．而夫琅和费研究衍射现象，将望远镜对准
狭缝光源，并让狭缝成像在目镜的焦平面附近，这样入射光与出射光都是平行光，可以认为光源和光屏距衍射孔是无限远.我们把这种方式产生的衍射称为“夫琅和费衍射”，而前者称“菲涅耳衍射”。可以看出，夫琅和费衍射是菲涅耳衍射的一种极限情形，而且数学上更容易处理。
当然，菲涅耳的理论也不无缺点，菲涅耳开始把光波看作纵波，不能解释光的偏振，因此竭力回避这些问题.一直到马吕斯（E. L. Malus，1775-1812）发现了光的偏振现象后，菲涅耳才根据杨氏的提议把光看成是横波，这样不仅完善了光的波动说，而且由此出发，解释了光的偏振现象，完成了他对光偏振的一系列研究，这是他对波动光学的又一贡献.菲涅耳于1823年被选为巴黎科学院院士，1825年又被选为伦敦皇家学会会员，遗憾的是，菲涅耳卓有成就的一生太短暂了，他只活了39岁，于1827年因患肺病，在巴黎附近的乡间逝世。
还有一事值得一提，杨氏与菲涅耳先后都对波动光学做出了重要贡献，但他们之间并无激烈的优先权之争，他们之间的关系是友好与谦恭的.菲涅耳在1816年给杨氏的信中说道：“如果有什么能够安慰我没有获得优先权的利益的话，那就是：对我来说我遇到了以如此大量的重要发现丰富了物理学的学者，同时他大大地有助于加强对于我所采用的理论的信心”。而杨氏在1819年给菲涅耳的信中写道“先生，我为您赠送令人敬羡的论文表示万分感谢，在对光学进展最有贡献的许多论文中，您的论文确实也是有很高的地位的。”