日期：2020.04.16
[文章摘要]：惠更斯-菲涅耳原理 Huygens-Fresnel principle是以波動理論解釋光的傳播規律的基本原理。它是在惠更斯原理(Huygens principle)的基礎上發展而得的，是研究衍射現象的理論基礎，可作為求解波(特別是光波)傳播問題的一種近似方法，由荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)在創立光的波動說時首先提出的（摘自360百科）。但作者認為：該原理存在二個重要的、關鍵性的問題：一是將子光源作為點光源，而不是原子被電偶極子化的時變電偶極矩的電偶極子；二是沒有明確適用範圍（在真空中是不適用的）。本人觀點如有與某位前輩雷同，請諒晚輩無知為要。
一、惠更斯－菲涅耳原理簡介
在光場中任取一個包圍光源的閉合曲面Σ，該曲面上每一點均是新的次波源，觀察點P的振動是曲面Σ上所有次波源發出的次波的相干疊加。
歷史：1678年，惠更斯在給巴黎科學院的信和中都闡述了他的光波動原理，即惠更斯原理，這是惠更斯-菲涅耳原理的雛形和基礎。
1815年，奧古斯汀-讓·菲涅爾(Augustin-Jean Fresnel)引入波的相干性，即同時考慮各次波到達某點的作用與次波間的位相關係，補充了惠更斯-菲涅耳原理
應用：惠更斯曾根據這一原理正確地解釋了光的反射定律、折射定律和雙折射現象。要解釋衍射現象實質上是要解決不同方向上的強度分佈問題，但惠更斯原理並未涉及強度，也無波長概念，故僅靠惠更斯原理不能解決衍射問題。菲涅爾彌補了惠更斯原理的不足之處，他保留了惠更斯的次波概念，補充了次波相干疊加的概念，解決了波衍射的問題。
侷限性：惠更斯-菲涅耳原理不是嚴格的理論產物，較大程度上是憑樸素的直覺而得到的，對傾斜因子無法給出具體的函數形式 ，菲涅爾只對它作了某種猜測:θ=0時傾斜因子為1，θ=90時下降到零(即假定無後退次波)。後來古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫(Gustav Robert Kirchhoff)和阿諾德·索末菲(Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld)根據一般的波動理論從理論上導出了與菲涅耳的公式十分接近的衍射公式，同時還給出傾斜因子K(θ)的具體函數形式[摘自360百科]
二、惠更斯－菲涅耳原理存在的問題簡述
1、真空中的光不能分解為次光源
由下圖一可知：光在真空中運動時是不可見的。也就是光在真空中是不會產生衍射、散射等現象的。實際上在真空中，變化的電場並不能激勵出次生磁場。同樣地，變化的磁場也不能激勵出次生的電場。因此，在真空中的光是不可以分解為次光源的疊加效應的。
動圖說明：長虛線左側為導光介質，而其右側至短實線間為真空，短實線為反射鏡
圖一：光在介質及真空中的運動軌跡動圖
2、介質中的子（次）光源並非點光源，而是時變電偶矩的電偶極子類的子光源
在上圖一中虛線左邊介質中，光團的運動軌跡可視是因為介質中的原子被入射光或鄰近原子極化後產生的次生光極化後的電偶極子產生的散射光被攝像機捕獲並記錄下來的結果。
如果次光源為點光源，則疊加後的光波應該是以球狀方式向四面八方傳遞的。而光在介質內部的傳遞是明顯有方向性的。這正是因為子（次）光源為電偶極子導致的。因為電偶極子場是有方向性的。
三、光的本質及與介質相互作用規律
1、光的本質
光是帶電體在相對觀測者（觀測設備與裝置）不同運動狀態下產生的電場與磁場。不同空間位置上的每個帶電體（如原子中的電子與原子核）產生的電場與磁場同時到達觀測者所處位置上的矢量疊加結果才是觀測者觀測到的電場與磁場的真實數據。
2、光與介質的相互作用規律
2.1、光致介質中的原子極化成電偶極子
光既然是電場與磁場，而介質多為由不同數量的帶負荷的電子與不同數量帶正電荷的質子構成的原子核組成的不同原子構成的。當光照射到介質上時，自然就會出現原子的極化現象。即：原子的外部電子與原子核受到同樣的外電場與磁場作用時，其運動趨勢是相反的。從而導致原本電中性（實際上原子因存在熱運動，並非理想的電中性，只是當外電場與磁場作用時，原子中的電子與原子核會在原有的基礎上改變運動狀態）的原子成為電偶極子（如下圖三所示）。當外部電場和磁場為時變場時，則由其產生的電偶極子的偶極矩及極性也會是時變的，且變化規律直接與外場相關。
圖二：光在盛水可樂瓶內的運動影像
2.2、電偶極子場的特點
如下圖四所示：原子在外場作用下成為時變電偶矩的電偶極子的時變位移速度、位移量以及電偶極矩變化直接與外場的強度、方向、時變特性有關。
如下圖五所示：電偶極子產生的次生場的分佈並不是各向同性的，而是有方向性。這也是為什麼光經介質作用後的傳遞方向會有比較嚴格的、規律性的原因所在。按照點光源同半徑上的場強度與相位相同假設的次光源顯然是不符合客觀實際的。
電偶極子的產生會導致次生電磁場的產生。這樣就出現了光致介質成為次生光源的現象。所以，光照射到介質上產生的反射/散射、折射/透射和轉換/熱輻射等次生光並不是入射光本身，而是由介質產生的次生光。大多數情況下，入射光會被改造甚至消失。當然一方面由介質產生的各類次生光的運動方向、強度、頻率與相位等與入射光密切相關，但決定性的因素還是介質的性質及介質界面的性狀。如：反射光與折射光的方向與入射光的入射角密切相關。而散射光與衍射光的方向與強度則主要由介質界面的平整度和形態決定，與入射光的入射角關聯性較低。最重要的光的強度則與介質性質與介質表面平整度密切相關：平整度越高，反射強度越大，散射強度越小；材料的透光能力越強，反射強度越小，折射強度越大。
如上圖六所示：光照射到介質表面後，當非垂直入射表面時，則因同相位的光到達不同點上的時刻不同，使介質中不同位置上原子的極化時間也就不同。同一時刻由電偶極子產生的次生電場的空間分佈狀態也就不盡相同。這就直接形成了光的波前面具有一定的方向性了。
總之，光與介質的相互作用是入射光將介質中的原子激勵成了新的次生光源。因此，除不與介質相互作用的直射光外，所有與光與介質存在相互作用的物理現象與實驗結果都應該考慮其很可能不是原生光源而是次生光源產生的問題。
四、結 論
1、惠更斯－菲涅耳原理不適合於真空中光的分解與疊加。因為真空中的光無法分解為次光源；
2、惠更斯－菲涅耳原理用於介質界面及均勻介質內部次光源的疊加時，必須選定不同次光源相同狀態時刻所發出的次生光在相同方位上的波前面，而不能體現次光源產生的次生光在特定空間位置上的疊加效應；
3、由於介質界面產生的反射、折射光並非入射光本身改變運動方向後的產物，而是由介質產生的全新的光。將介質界面各點視為點光源雖然能解決光的反射與折射，甚至衍射和繞射等問題，但並未體現出光與介質相互作用的實質。因為實際上，入射光是將介質界面上的原子極化成了與入射光頻率存在高度相關性的時變偶極矩的電偶極子，並不是強度、頻率與相位不變的點光源。所謂的點光源只是時變偶極矩的電偶極子的原子或原子團而已。
4、雖然惠更斯－菲涅耳原理存在上述不盡如人意的地方，沒有充分揭示介質界面對入射光的反作用只是由原子被電偶極子化產生的次生光。但是將介質界面視為由點狀光源構成的發光群體並向各個方向發光的理念也是非常接近客觀事實的。在其產生的時代也不失為很了不起的成就。
閱讀更多 彭曉韜 的文章
