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关于正反衍射悬案的分析

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背景介绍:
这是之前零度君使用了好几次的图片了,当时零度君的解释是正反衍射同时出现。

前一阵子,灵魂保卫者认为零度君数据造假,理由是他用了下图这样的缝隙也重复出了零度君的结果:

零度君当时就呵呵了,因为光的衍射对角度极为敏感,这种缝隙要加工到上下平行没有高端设备几乎是不可能的......所以当时就告诉他他的衍射上下不平行。
事后,今天和以国外phd谈及此事,猛然发现其实还有真存在一种可能性,所以又和大家重新做了计算和实验,现在结果公布如下:
上次的衍射结果应该是存在过切现象,而且这是一个系统误差,而这个现象之所以会如此明显主要有两个因素:
1. 比较给力的相机
2. 比较强的光源
具体的分析将会在之后的楼层中给出,在尽可能排除过切后在反向衍射的位置上也能观察到一个比较模糊的亮斑,这才应该是反向衍射的真实面貌。


IP属地:安徽1楼2019-07-24 01:43回复
    首先,什么是过切,怎么造成的
    下图是我们正常切一个缝隙的步骤,先从A切开或者剪开一个缝隙,然后从B再剪开另一个。从数学上来说让AB完美相交就能得到一个完美缝隙,此时尖端缝隙趋近于0

    但实际情况有两点限制:
    1、刀刃的厚度
    2、完美相交
    一般而言刀刃的厚度也就是20μm左右,更细小的只能用电解法来做,那是不能用作刀刃的。虽然零度君这里有600美金一把的精细工具刀但是也不能超过这个限制(精细工具刀主要是平直度上的)。这样实际上缝隙就变成下面这样了:

    在中轴线的最前端出现了一个更大的区域,这是获得很窄的缝隙中不可避免的缺陷。可能会有人说能不能把纸叠起来一刀剪开,没问题,但是你要知道纸也是有厚度的,普通A4纸厚度大约为80~100微米,而且我们也无法把纸压紧。
    把缝隙做宽一点行不行,当然可以。但是零度君回头会说为什么做宽了你就看不到下面那堆衍射了。
    总之,我们必须正视这个问题,所以先对这个过切部分分析一下:
    下图就是过切的部分的简图。ABC三个区域我们想要的缝隙,D和E是过切部分,D和E中间的夹角区是理论上纸会在的区域,但是实际上切那么窄的尖端很容易就不知道弯哪去了,所以也可能是透光的。
    h是刀刃的宽度,a是C那个菱形的长对角线长度,dmin是整个缝隙的最窄处宽度,也是C的短对角线长度。夹角是θ。很容易能求出来a和dmin与h的关系。

    这里我直接放结论:
    由于θ很小,实际上dmin的数值和h差不多(在10度以内偏差在3%以下)而a就和h差不多了,我们直接给出几个数值(h=20μm):

    这个数值我们之后会用,下面零度君会继续分析我上一次的图来确定几个重要的实验参数


    IP属地:安徽2楼2019-07-24 02:03
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      2025-05-19 11:51:10
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      第二部分,过切参数的确认:
      没时间作图了,直接原来的了。下图是在距离4m,光到缝隙40cm左右时的结果,虽然没有标尺不过背景的瓷砖充当了标尺,瓷砖宽度为18cm。以此我们可以测量出两个重要的参量:
      正衍射最宽处的宽度,当然强度很弱了,从图上来看几乎和黑影一样宽,大概是12~14cm左右;在一个是黑暗区的高度,大概是1.2~1.5cm左右。

      我们用这两个参数来计算过切的精确数值,根据夫琅禾费衍射宽度公式,中央亮纹宽度为2*波长/缝隙宽度*距离,可以计算,表中单位为m,可见最亮的条纹对应缝隙宽度大约为40μm左右。是估测的刀刃宽度的两倍。

      同理,根据相似三角形可以计算a的测量值大概在1.1到1.3mm之间,对应实际角度为2°左右,(宏观测量大概是3°)。这是因为纸会完全变形,零度君之前放过缝隙额显微镜照片,越靠内角度越小越尖锐。
      从上述计算我们可以发现,以我们的设备只能捕获最小大约40μm狭缝的衍射图样,再小的缝隙就无法捕获了。这已经是在暗室环境(手机传感器显示打开激光器前环境照度为0lx),使用单反相机在ISO12800和长达数秒的曝光下能做到的极限了。
      下面我们来解释为什么中间那个暗线带会出来,以及最重要的一个环节:既然过切是一个系统误差(无法避免的),为什么灵魂保卫者始终不能复现零度君现象。


      IP属地:安徽3楼2019-07-24 02:28
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        之前灵魂保卫者似乎说过(如果是别人说的,那请见谅)当缝隙很窄的时候看不见衍射条纹了。
        这是正常现象,因为衍射条纹随着缝隙变窄而变宽,同时通过缝隙的光则随着缝隙变窄而变小,如果我们假定衍射条纹的高度不变,那么不同的缝隙宽度对应的通光量应该是下面这个样子的(以第一级亮纹来计算,因为第一级亮纹占据主要的能量,其他亮纹则要弱得多,你之所以看到其他亮纹和第一级一样亮是因为超过CMOS上限了,他们的亮度都被标记为255)
        第四列是以我们这次实验中常用的400μm(我认为也是灵魂保卫者所用缝隙的大致宽度)为对比,归一化处理的百分比对照。对于宽度为20μm的缝隙,在相同环境下你能看到的条纹亮度只有400μm的大概0.25%(400分之一)。而零度君那手机拍摄时看到100μm的亮纹都要借助夜景模式才能比较清晰的获取。因此2μm的亮纹不是不存在而是根本无法捕获到。同理,如果相机更烂一点能捕获的亮纹会更少。

        (上述计算并不考虑反光,我们使用相机拍照时还要考虑到反光造成的衰减)
        那为何零度君的衍射在40μm的缝隙处戛然而止而不是缓缓的消失呢?这要这个问题困扰了我们很久,直到询问了一个摄影大神之后才恍然开悟:(这只是可能性1)
        相机长曝光也是有限制条件的,举个例子,如果cmos记录光强是10/s,那么曝光10s就会是100,同理如果是1/s,曝光100s也能到100。但是如果是<1的就坏事了,cmos会记录个0,就算用B门(自定义时长,可以超过数小时,取决于相机电量)也还是0......
        也就是说零度君的相机太懒了只能记录到这个状态。
        当然还有另一种可能,大家要知道纸是有厚度的,而且这个厚度相比于缝隙还很厚。对于100μm的纸来说20μ的缝隙太小了,光路稍微有点倾斜(倾斜几乎是必然的)就会变成一个三维的衍射了,这个结果太复杂。


        IP属地:安徽4楼2019-07-24 02:46
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          综上所述,灵魂保卫者如果想要用一个缝隙复现本实验那么需要准备如下条件:
          首先,需要一个裁切的缝隙,而且不能太宽;不能用上下交叠的方式来产生缝隙,因为如果缝隙的厚度不一样必然会影响光程差,缝隙越窄这个影响就越大。
          其次,需要一个强光源,这个又不太好定义什么光源叫强光源。但是如果你能直视光斑那肯定是不行的。友情提示:强光伤眼睛,尽量准备护目镜。
          再次,一个暗室,尽量无窗,关好门,关灯,不然几乎啥也看不见,环境光尽量全部消灭。把距离调进能改善一下光斑强度但是并没什么用......因为强光亮的比弱光更快
          最后,一个质量比较高的相机,没有最好只有更好。如果舍得让光线直入cmos那么效果会好很多,可惜和某人商量好几回都不同意。
          其他条件基本上也就没了,一个凹透镜,这个度数自己把控,光斑放大的越大光强越弱但越容易观察。
          至于说怎么避免(或者说减弱)过切造成的影响,看楼下就行了


          IP属地:安徽5楼2019-07-24 02:57
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            不要试图取用别的东西把过切的部位再挡起来,我们都试过了。想操作到μm级别的精度那是不可能的......
            之前我们说过,零度君的cmos最低只能记录到40μm的衍射斑,那我们就有一个想法了,只要能把过切的宽度限制在40μm那就相当于看不到过切了
            但这是个撞概率的事情,而且很难检测。后来有人想到这样一点,如果过切逐渐变小,那么负衍射会逐渐消失,但是是极限条纹最后消失消失。反过来,按照高斯近似分布的话,如果是负衍射存那么负衍射应该是从两遍开始消失,中间保留,类似一个椭圆。

            那么没法子只好撞概率了.......
            索性装上了一个看上去像样的:
            之所以用绿色的是因为我们的绿光激光源强度要比红色的高出大概10倍左右,但是绿色的也比较难产生衍射,而且对表面毛边更敏感。


            IP属地:安徽7楼2019-07-24 03:23
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              另外,之前模拟的计算中对于y<0部分需要修正,由于之前认为Z远大于缝隙宽度所以不用考虑,结果后来发现缝隙宽度也远大于波长啊,所以这个y<0区域可能要重新建模,但是这个过程就比较复杂了。没有了近似解就只能解菲涅尔积分了,这个不是一时半会儿能搞定的


              IP属地:安徽8楼2019-07-24 03:25
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                总结:之前的两张衍射看上去确实和过切存在关系,但是你要说里面过切占了多大比重,负衍射的条纹占了多大比重,是全部是过切的衍射还是什么这个现阶段零度君没法回答。因为目前我们找不到更精细的(价格可行)的加工方式来完全排除这部分影响。
                更精细的方式倒是有,精度到1微米的超精细加工设备是有的,但是钱掏不起......不说钱掏不起,能保证变形度的材料都不大买的起。聚焦离子束倒是能切到那么精细但是这价格......
                另一个办法倒是可以,就是用波长更长的波,比如厘米波去做,只是这个观察可能比较麻烦。零度君手上的红外激光器虽然波长更长一点但也只有1.03个μm,没有什么改善。红外相机的解析度又比单反差远了,也没法直接观察,更麻烦。
                还有一个手段是用透射电子显微镜来做,电子衍射虽然波长更短但是晶体中存在现成的结构——孪晶。


                IP属地:安徽9楼2019-07-24 03:34
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                  2025-05-19 11:45:10
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                  像灵魂保卫者那样加工双缝是一眼就能被看出来的:一是平行度难以保证;二是正负极限条纹明显还窄着呢。这个缝隙想故意做出来恐怕还真挺麻烦,如果说零度君等人能只用这种工具就能做出一个40μm级别宽度还能精细控制平行度的对头V型缝隙,那我还读什么书,就这手艺都发了好不好。
                  另外,这个实验的存疑并不能影响其他实验对零度君“爱里斑变化导致衍射反转”这一理论的支撑。到目前为止还没有本吧报道的任何相关实验时这一理论无法解释的。
                  这里也欢迎大家用各种方法尝试做一下更精细的双缝。就在几秒钟前有个米国博士说也许光刻可以,有条件的同学可以一试。


                  IP属地:安徽10楼2019-07-24 03:46
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                    此外,关于灵魂保卫者怼零度君一事,零度君根本就没想过怼他,不然我拿英语写骂死他估计都看不懂......毕竟零度君一般不怼人
                    感谢各位民科还有反民科的对本实验的关注,以及各位做完实验还要偷偷帮我做实验的小伙伴们的支持。需要视频的话等一下吧,这几天大家都有点忙,那几个还在通宵做实验来着。此外,因为视频模式的ISO要低得多,质量真是堪忧......


                    IP属地:安徽11楼2019-07-24 03:54
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                      最后,作为感谢,正式授权某人可以发一张我的照片(不许露脸),这算正式授权,不计入侵犯个人隐私。
                      PS,大家做实验一定小心眼睛,这玩意直射入眼可以烧伤视网膜的


                      IP属地:安徽12楼2019-07-24 03:56
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                        哦对,忘了说了,禁止插楼声明作废。


                        IP属地:安徽13楼2019-07-24 03:56
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                          另,零度君从不删楼,如果你的楼没了,那一定是百度的锅


                          IP属地:安徽14楼2019-07-24 03:57
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                            妹纸辛苦了。此外,需要声明一下正反衍射只是夫琅禾费衍射的一个推论,并不是艾里斑导致逆转这个理论的一部分。


                            IP属地:安徽来自Android客户端15楼2019-07-24 04:25
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                              2025-05-19 11:39:10
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                              个人对零度君意思的理解。
                              话说如果我采用对折纸剪一刀的方法(就是2楼说的那个),虽然会导致V型缝尖端不尖但是似乎没有过切,那么能做观测反条纹的实验么,或者说对其它条件(比如光源亮度)是不是有更高要求。


                              来自Android客户端17楼2019-07-24 08:09
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