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瑞利判據,半導體材料行業專題研究( 四 )

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瑞利判據首先，需要給大家介紹一下望遠鏡的基本原理 。要看清遠處的物體發出的光需要兩個條件：足夠的光強和足夠大的角度 。物體發出的光線經過眼角膜和晶狀體折射后，會在視網膜上成像 。如果光強太弱，進入眼睛的光子不夠，就不足以使視神經產生反應，所以我們首先需要將遙遠物體發出的光進行收集和加強，這就需要望遠鏡 。其次，物體不同部位發出的光會彼此成一定角度，在視網膜上成像也不是兩個點，而是兩個光斑，稱為愛里斑，這是由于衍射原因造成的 。
假如兩條光線的夾角太小，光斑距離就會特別近，如果它們的圓心距離小于半徑，我們的眼睛就無法區分它們了 。看起來兩條光纖重合，發光物體就變成了一個點 。英國卡文迪許實驗室主任、第三代瑞利男爵仔細研究了這個問題 。他指出：只有兩條光線之間的夾角θ與衍射孔徑D和光的波長λ滿足入下關系時，光線才是可分辨的這個關系稱為瑞利判據 。
例如：人的眼睛對550nm的綠光最為敏感，虹膜直徑大約5mm，這樣一來人的眼睛最小可分辨角為如果光線夾角小于這個值，我們就無法分辨它們 。遙遠的星星不同部位發出的光進入眼睛時夾角太小，所以大部分的星星看起來都是一個點 。為了增大這個角度從而看清遠處物體的結構，我們也需要望遠鏡 。望遠鏡幾百年前，人類就開始制作望遠鏡了 。
比如，伽利略就制作了一臺可以放大33倍的望遠鏡，并用它觀察到了月球表面的環形山和木星的衛星 。伽利略的望遠鏡使用了一個凸透鏡和一個凹透鏡 。凸透鏡的焦距長，凹透鏡的焦距短，并讓二者共焦點 。平行光線進入物鏡后向焦點匯聚，但是到達焦點之前被凹透鏡恢復成平行光，實現了寬平行光變為窄平行光，光線被加強了 。同時，如果入射光原本相對于眼睛的夾角比較小，經過望遠鏡后角度會被放大，于是人的眼睛就可以分辨了 。
天文學家開普勒也發明了自己的望遠鏡，開普勒式望遠鏡使用的是兩個凸透鏡，也讓他們共焦點，它也能夠實現光線的加強和角度的放大 。所不同的是，開普勒式望遠鏡所成的是倒像，但是這對于天文觀測來講并沒有帶來太大的麻煩 。折射式望遠鏡的缺點在于存在視差，有時候會模糊不清 。為了克服這個缺點，牛頓發明了反射式望遠鏡 。它通過一個凹形反光面收集光線，再利用平面鏡反射和凸透鏡會聚實現光強和角度的放大 。
不過，無論是折射式望遠鏡，還是反射式望遠鏡，都存在一個問題：它的觀察通過肉眼和可見光進行，可見光的波長短，容易被大氣散射，到達地面上的光微弱而不穩定 。如何解決這個問題呢？人們有兩種方法：第一，既然大氣散射造成了這個問題，那么就到大氣外面裝一個望遠鏡好了 。于是哈勃望遠鏡問世了 。人們躲開了大氣的散射，看到了許多從未見到的景象 。
第二，既然可見光會被大氣散射，我們還可以使用波長較長的紅外線或微波進行觀測，它們更容易穿透大氣層 。于是，人們就發明了射電望遠鏡，它的基本原理與牛頓的反射式望遠鏡類似，只不過使用的電磁波是紅外或微波 。宇宙中許多物質發光并不是可見光，只有通過射電望遠鏡才能觀察到它們 。甚長基線干涉技術VLBI無論是眼睛、光學望遠鏡還是射電望遠鏡，都要滿足瑞利判據 。
而且，根據瑞利判據，最小分辨角θ=1.22λ/D，射電望遠鏡使用的電磁波波長λ比可見光更大，此時必須增大它的口徑D，才能分辨出很小的角度 。所以世界各國都在爭向建設大口徑的射電望遠鏡 。例如中國貴州建設的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），工作波長在0.1m左右，口徑達到了500米 。這么大面積的射電望遠鏡可以匯聚宇宙中微弱的電磁波，同時也可以分辨更小的角度 。

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