当我们谈论衍射的时候我们在谈论什么？ 当我们谈论高斯光的时候我们在谈论什么？

食用指南：这篇文章是名词解释，而非公式推导。

光学里的衍射泛指由于光的波动性而造成的非直线传播的现象。这个概念并不难理解，但是衍射在不同的场景下也有一些不同的指涉，并且可能带来语义的含混。

一、光与衍射器件（微纳结构）的相互作用

这里的“衍射器件”主要指光栅这种周期结构，或者作为掩模版使用的DOE（非周期）微纳结构。总之是由带有微结构的器件对光进行了相位调制，从而使得光的传播方向发生了改变。

（图片引自光软官网：http://www.lightsoftllc.com/）

光与这些结构相互作用后，由于物理上对电场的连续性要求，出射波面只在有限的几个角度上存在，这就是衍射级次。

这显然就造成了衍射光不按照直线传播，是一种很好理解的衍射现象。

二、光与非衍射器件由于波面截断（truncation）带来的作用（孔径光阑）

成像系统中，由于其孔径光阑有限大，肯定会对波面进行截断，这个截断就造成了分辨率的极限——点扩散函数PSF。孔径光阑本身就是个简单的圈，一般不会认为它是衍射元件，但它限定了可通过的波面的大小，从信息光学的视角看就是限制了可以通过光学系统的“信息”，使得成像系统成为了一个低通滤波器。这个效应的本源还是来自于光的波动属性，也可以说是衍射效应。这也是在几何光线镜头设计中常用到的“衍射算法”。

三、光在传播过程中由于其相干性（coherence）带来的效应

在上一节中说到的成像系统，它的光源，也就是各个不同的视场点包含杂乱波长、方向、偏振态等，所以认为是非相干的光源，不同的视场点是可以分开独立计算的。但如果有一束光（拓展光源），它确实只来自于同一个源头（同一个谐振腔），所有光学属性都一致呢？那就是相干光源了，比如激光。其实可以这么说：非相干光的各个视场都可以拆开来当作点光源考察，而相干光各个视场的光在传播过程中有相互作用，即“相干”。

激光由于其相干性，会有很不一样的传播特性——激光/高斯光并不是以几何射线形式传播，而是有存在“束腰”的一个复杂分布。

高斯光的这种“非几何射线地传播”，也是一种“衍射”。

好了，说到了高斯光，那也值得来掰扯一下它。

“高斯光” 指的是谐振腔造成的基模（TEM00）光束，它在均匀介质中的传播方式就是非射线的。高斯光在束腰位置的空间分布以及远处的角分布刚好符合“高斯分布”。

而我们在光学仿真软件（比如Zemax非序列模式）中所提到的“高斯光源”很可能是指符合高斯分布的几何光线光源。

比如Zemax里有一个光学模型叫做Source Gaussian，它会让用户输入两个参数来定义光源，分别是Beam Size和Position，很多人对此摸不着头脑，简单画个示意图就是这样的：

记住它是基于几何光线的，来自一个角分布为高斯分布的点光源，在一定距离上形成的发光面。所以这个光源模型是可以用来模拟真正的高斯光的远场行为。近场是不准的，传播过程中的coherence也是不考虑的。

关于真正的高斯光（物理光束）是如何传播的，欢迎“阅读原文”，来看之前关于Zemax POP算法的梳理。

（全文完）