什么是光學(xué)中的近場和遠(yuǎn)場？二者的區(qū)別是什么？

近場和遠(yuǎn)場在不同的光學(xué)范疇有不同的定義，需要加以區(qū)分。下面從菲涅爾數(shù)入手，通過菲涅爾數(shù)介紹二者的區(qū)別。

衍射光學(xué)

首先介紹菲涅爾數(shù)（Fresnel number）:

其中，a 是通光孔徑，L 是探測器位置距孔徑的距離。lambda 是波長。

當(dāng)菲涅爾數(shù)遠(yuǎn)小于1時，為夫瑯禾費(fèi)衍射（Fraunhofer diffraction），即遠(yuǎn)場衍射。例如在如通常的成像光學(xué)中聚焦位置所發(fā)展的衍射，即艾里斑（ Airy diffraction pattern）：

圓形孔徑的艾里斑（from wikipedia） 當(dāng)菲涅爾數(shù)遠(yuǎn)大于1時，為菲涅爾衍射（Fresnel diffraction），即近場衍射。由于探測器非常接近衍射發(fā)生的位置（如小孔），這時候波前形狀對衍射的影響不可忽略。對于同樣的圓形孔徑，其近場衍射圖案為：

圓形孔徑的菲涅爾衍射（from wikipedia） 關(guān)于菲涅爾衍射的一個著名案例是泊松亮斑（Poisson spot）：

泊松亮斑實(shí)驗(yàn)（from wikipedia） 需注意的是，衍射在此種情況下發(fā)生于物體外沿，因此菲涅爾數(shù)公式中的 a 可視為無窮大，即滿足近場衍射條件。

若無衍射發(fā)生，即根據(jù)幾何光學(xué)，探測器中間為純黑色，但實(shí)際并未如此：

泊松亮斑（from wikipedia）

激光束

在激光的空間傳輸或光纖輸出端傳輸時，通常用高斯光束來描述:



高斯光束

在瑞利范圍（Rayleigh range）內(nèi)通常被稱為近場，遠(yuǎn)離瑞利范圍時通常被稱為遠(yuǎn)場。遠(yuǎn)場的光場分布通?？梢杂山鼒龉鈭龇植嫉亩S傅里葉變換描述。

審核編輯：劉清