光的波动性之泊松亮斑介绍

在光学中，泊松亮斑（Poisson spot），Arago亮斑，或菲涅耳亮斑是基于菲涅耳衍射理论，出现在圆形物体阴影中心的亮点。这个斑点在发现光的波动性质中起着重要作用，并且是证明了光的波动性。基本的实验设置需要一个“点光源”，例如照明的针孔或发散的激光束。装置的尺寸必须符合菲涅耳衍射的要求。  

当单色光照射在直径恰当的小圆板或圆珠时，会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹，并且在所有同心圆的圆心处会出现一个极小的亮斑，这个亮斑就被称为泊松亮斑。  

现象描述：激光打到不透明的圆盘上，使得圆盘的边缘各点相当于一组次级光源，其衍射的结果，在光屏上形成的圆盘阴影的中心有一个亮点，且阴影的边缘出现明暗相间的光环。  

泊松一直是一位坚持光的微粒说的科学家，本来想用这个结论推翻光的波动说，然而，却出现了戏剧性的一幕 —— 这个亮斑反而成了光的波动性的一个有力证据，后人就把它称为“泊松亮斑”。手影和泊松亮斑，一个是日常生活中司空见惯的现象，一个是需要一定条件的实验结果，实际上两者恰好从两个不同侧面反映了光的性质：通常情况下，光沿直线传播；在一定条件下，光会显示波动性。所以从这个意义上说，泊松亮斑完全是光传播的正常现象，其“反常”仅是有悖于日常生活现象而已。    

侧面演示

其中： d is the diameter of the circular object, ℓ is the distance between the object and the screen, and λ is the wavelength of the source.   菲涅耳实验（历史）   在19世纪初，光不再沿直线传播的想法得到了广泛的关注。托马斯·杨（Thomas Young）于1807年发表了他的双缝实验。最初的Arago点实验是在十年后进行的，是关于光是粒子还是波动的决定性实验。   当时，许多人赞成以撒·牛顿的微粒子光理论，其中包括理论家西蒙·丹尼斯·泊松。1818年，法国科学院发起了一场比赛来解释光的性质，泊松是评审委员会的成员之一。土木工程师Augustin-Jean Fresnel通过提交新的光波理论参加了比赛（法国物理学家阿拉果与安培的鼓励和支持下）。  

泊松详细研究了菲涅耳理论，并作为光粒子理论的支持者，寻找了一种证明其错误的方法。泊松认为当菲涅耳理论的结果是在圆形障碍物的阴影下将存在一个同轴亮点时，他发现了一个缺陷，根据光的粒子理论，那里应该是完全黑暗的。由于在日常情况下不容易观察到Arago亮斑，因此泊松将其解释为荒谬的结果，因此反驳菲涅尔（Fresnel）的理论。   然而，当时委员会负责人Dominique-François-Jean Arago（后来成为法国总理）决定更详细地进行实验。他用蜡将一个2毫米的金属盘模制到玻璃板上。他成功地观察到了预期的光斑，这使大多数科学家相信了光的波动性质，并让菲涅尔获胜。   Arago指出这种现象（后来称为“泊松亮斑”或“Arago亮斑”）早在一个世纪前就已被Delisle和Maraldi观察到。后来才发现（在爱因斯坦的《Annus Mirabilis》的一篇论文中），光可以等同地描述为粒子和波动性。  

菲涅耳开创了光学的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯·杨的波动理论，成为“物理光学的缔造者”。

  物理应用

物质波（matter waves）与Arago点，2009年，使用氘分子的超音速膨胀束（中性物质波的一个例子）演示了Arago点实验。行为像波的材料粒子是量子力学已知的。粒子的波动性质实际上可以追溯到德布罗意的假设以及戴维森和杰默的实验。在检查一定大小的圆形结构时，可以在透射电子显微镜中观察到也构成物质波的电子Arago点。 

可以将Arago点用作对准系统中的直线参考。

通过利用光斑对光束像差的敏感性来探测激光束的像差。提出了一种电子显微镜作为一种显着提高天基望远镜衍射极限分辨率的方法。（参考：Wikipedia）

编辑：黄飞