近场和远场在不同的光学范畴有不同的定义,需要加以区分。下面从菲涅尔数入手,通过菲涅尔数介绍二者的区别。
衍射光学
首先介绍菲涅尔数(fresnel number):
其中,a 是通光孔径,l 是探测器位置距孔径的距离。lambda 是波长。
当菲涅尔数远小于1时,为夫琅禾费衍射(fraunhofer diffraction),即远场衍射。例如在如通常的成像光学中聚焦位置所发展的衍射,即艾里斑( airy diffraction pattern):
圆形孔径的艾里斑(from wikipedia) 当菲涅尔数远大于1时,为菲涅尔衍射(fresnel diffraction),即近场衍射。由于探测器非常接近衍射发生的位置(如小孔),这时候波前形状对衍射的影响不可忽略。对于同样的圆形孔径,其近场衍射图案为:
圆形孔径的菲涅尔衍射(from wikipedia) 关于菲涅尔衍射的一个著名案例是泊松亮斑(poisson spot):
泊松亮斑实验(from wikipedia) 需注意的是,衍射在此种情况下发生于物体外沿,因此菲涅尔数公式中的 a 可视为无穷大,即满足近场衍射条件。
若无衍射发生,即根据几何光学,探测器中间为纯黑色,但实际并未如此:
泊松亮斑(from wikipedia)
激光束
在激光的空间传输或光纤输出端传输时,通常用高斯光束来描述:
高斯光束
在瑞利范围(rayleigh range)内通常被称为近场,远离瑞利范围时通常被称为远场。远场的光场分布通常可以由近场光场分布的二维傅里叶变换描述。
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