光的衍射现象ppt课件.ppt
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1、一、理解惠更斯一、理解惠更斯 菲涅耳原理以及菲涅耳积分表达式的意义菲涅耳原理以及菲涅耳积分表达式的意义第二章第二章 光的衍射光的衍射教学目标教学目标三、利用光强表达式来解释夫琅和费衍射花样分布规律三、利用光强表达式来解释夫琅和费衍射花样分布规律二、掌握利用二、掌握利用 菲涅耳半波带法解释菲涅耳衍射菲涅耳半波带法解释菲涅耳衍射四、熟练掌握光栅方程的导出及其意义四、熟练掌握光栅方程的导出及其意义五、熟悉各种衍射条纹的特点五、熟悉各种衍射条纹的特点教学重点教学重点惠更斯惠更斯 菲涅耳原理、菲涅耳半波带、光栅方程、光栅光谱菲涅耳原理、菲涅耳半波带、光栅方程、光栅光谱教学难点教学难点菲涅耳半波带、光栅方
2、程、光栅光谱菲涅耳半波带、光栅方程、光栅光谱衍射衍射光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影区区,并在屏上出现光强不均匀分布的现象。同光的干涉并在屏上出现光强不均匀分布的现象。同光的干涉现象一样,是光的本质特性之一。现象一样,是光的本质特性之一。不同宽度的单缝衍射图样不同宽度的单缝衍射图样单缝衍射单缝衍射圆孔衍射圆孔衍射 日常生活中为什么我们很容易观察到声波、无线电波的衍射,日常生活中为什么我们很容易观察到声波、无线电波的衍射,而难以观察到光波的衍射呢?这是由于声波和无线电波的波长较而难以观察到光波的衍射呢?这是由于声波和无线电波的波长较长(约几百米),自然
3、界中存在这样尺度的障碍物或空隙(如墙、长(约几百米),自然界中存在这样尺度的障碍物或空隙(如墙、山秋和建筑物等),容易表现出衍射现象;而光波的波长很短山秋和建筑物等),容易表现出衍射现象;而光波的波长很短(4000-7600),自然界中通常不存在如此小的障碍物或空隙,自然界中通常不存在如此小的障碍物或空隙,光主要表现出直线传播的特性。光主要表现出直线传播的特性。产生衍射现象的条件:产生衍射现象的条件:主要取决于障碍物或空隙主要取决于障碍物或空隙 的线的线度与波长大小的对比。度与波长大小的对比。 光孔线度光孔线度 310以上,衍射效应不明显31010,衍射效应明显 , 向散射过渡如何从理论上解释
4、光的衍射现象呢?如何从理论上解释光的衍射现象呢?1.1.偏离直线的含义偏离直线的含义 2.2.缝宽与波长的关系缝宽与波长的关系3.3.限制与扩展限制与扩展衍射现象的特点:衍射现象的特点:光束在衍射屏上的什么方位受到限制,则接收屏上的衍射光束在衍射屏上的什么方位受到限制,则接收屏上的衍射图样就沿该方向扩展;光孔线度越小,对光束的限制越厉图样就沿该方向扩展;光孔线度越小,对光束的限制越厉害,则衍射图样越加扩展,即衍射效应越强。害,则衍射图样越加扩展,即衍射效应越强。-光孔的线度与衍射图样的扩展之间存在着反比关系光孔的线度与衍射图样的扩展之间存在着反比关系惠更斯惠更斯 菲涅耳原理菲涅耳原理惠更斯惠更
5、斯菲涅耳菲涅耳波阵面上各点都看成是子波波源波阵面上各点都看成是子波波源能定性解释光的传播方向问题能定性解释光的传播方向问题波场中各点的强度由各子波在该点波场中各点的强度由各子波在该点的相干叠加决定的相干叠加决定能定量解释衍射图样中的强度分布能定量解释衍射图样中的强度分布波前波前 上每个面元上每个面元d 都可以看成是新的振动中都可以看成是新的振动中心,它们发出次波。在空间某一点心,它们发出次波。在空间某一点P的振动是的振动是所有这些次波在该点的相干迭加。所有这些次波在该点的相干迭加。()( )( )U pdU p( )dU pd0()UQikrer0(, )F(表示波前上(表示波前上Q Q点面元
6、的子波复振幅函数)点面元的子波复振幅函数)(表示子波所发的球面波)(表示子波所发的球面波)(表示方向因子)(表示方向因子)0和 分别为源点S和场点P相对次波面元d 的方位角00( )( ) (, )ikreU pKU Q fdr 001(, )(coscos )2f /2iieK菲涅耳菲涅耳-基尔霍夫衍射公式:基尔霍夫衍射公式:000()( )(coscos )( )2ikrieU PUQdr00 ,0rr000 ()( )( )ikriU PUQ e dr分类的标准分类的标准按光源和考察点(光屏)到障按光源和考察点(光屏)到障碍物距离的不同进行分类。碍物距离的不同进行分类。1 Fresnel
7、衍射衍射(近场衍射)(近场衍射)观察比较方便,但定量计算却很复杂(需完成复杂观察比较方便,但定量计算却很复杂(需完成复杂的的Fresnel积分)。积分)。S障碍物(孔隙)距光源和光屏的距离都是有限的,或障碍物(孔隙)距光源和光屏的距离都是有限的,或其中之一是有限的。其中之一是有限的。2.Fraunhofer衍射衍射(远场衍射)(远场衍射)S1L2LoFraunhofer衍射可通过使用简单实用的方法衍射可通过使用简单实用的方法半波半波带法得到重要而近似准确的结果。带法得到重要而近似准确的结果。光源和光屏到障碍物或孔隙的距离可以认为是无限远光源和光屏到障碍物或孔隙的距离可以认为是无限远的,即实际上
8、使用的是平行光束。比的,即实际上使用的是平行光束。比Fresnel衍射更衍射更重要。重要。1、 实验现象实验现象mm35bmmSR0Pb衍射花样:以轴上场点衍射花样:以轴上场点 为中心一套亮暗相间的同心圆环,为中心一套亮暗相间的同心圆环,中心点可能是亮的,也可能是暗的;随中心点可能是亮的,也可能是暗的;随 的变化,中心亮暗的变化,中心亮暗交替变化。交替变化。0P若以圆屏代替上述圆孔,衍射花样也是同心圆环,但中心总是亮的。若以圆屏代替上述圆孔,衍射花样也是同心圆环,但中心总是亮的。Rm2、 半波带法半波带法SR0Pbo1M2M3M4M102M Pb2022M Pb3032M Pb404,2M P
9、b(半波带法是处理次波相干叠加的一种简化方法)(半波带法是处理次波相干叠加的一种简化方法)这些半波带发出的次波在这些半波带发出的次波在 点产生的复振幅:点产生的复振幅:0P1010()()iUPA P e()2020()()iUPA P e (2 )3030()()iUPA P e故故 点的合复振幅为:点的合复振幅为:0P001()()niiU PUP11020300()()()( 1)()ninA PA PA PA Pe 1001020300()()()()()( 1)()nnA PU PA PA PA PA P ()kkkkAfr0()kkkkrPf其中是第 个半波带的面积, 是它到场点
10、的距离,是其倾斜因子22(1 cos)R 222()cos2 ()RRbrR Rb22sindRd sin()rdrdR Rb 2dRrdrRb,2kr drd kRrRb kkr与 无关,即它对于每个半波带都一样()kkAf影响大小的因素只剩下R0PboMrk)0kkkkkk从一个半波带到下一个半波带变化很小,从而f()和A 随 的增加而缓慢地减小,最后当时,f(1011()( 1)2nnA PAA 1A2A3A4AnAA 1A2A3A4AnAA 0P0101()()2A PA P()0,0nnfA从而010()(),A PA P即中心是亮点01020()()()0,A PA PA P即中心
11、是暗点1010200110010()()()( 1)()1()( 1)()21()2nkknnknkA PAPAPA PAPA PAP 则3、 矢量图解法矢量图解法0023,PPm以 为中心 分别以b+b+b+b+为半径做球面 将它分割为更窄的环带2m2m2m2相邻小环带在 贡献的振动位相差振动的合成用矢量图来表示0Pbo1N2N1mNMo1M1A 2A 3A mAm1A o1A 0kAm ocABA ( )a( )b( )c( )f1,ocAA 1且A=2例题例题1 求圆孔包含半个半波带时轴上的衍射强度求圆孔包含半个半波带时轴上的衍射强度解:解:112()2AoBA12AA2AA222IA,
12、即光强为自由传播时的 倍例题例题2 以自由传播为特例,验证会更斯以自由传播为特例,验证会更斯-菲涅尔原理,菲涅尔原理,并定出衍射公式中的比例系数并定出衍射公式中的比例系数iK 4、 菲涅尔波带片菲涅尔波带片R0PboMrSk,2kkrb1kRbkkRb(1,2,)k 1RbRb1,Rb kb k(1,2,)k 菲涅尔波带片菲涅尔波带片例题例题3 一块波带片的孔径内有一块波带片的孔径内有20个半波带,个半波带,1,3,5,19等等10个奇数带露出,第个奇数带露出,第2,4,.20等等10个偶数带挡住,轴上场个偶数带挡住,轴上场点的强度比自由传播时大多少倍?点的强度比自由传播时大多少倍?解:波带片
13、在轴上场点产生的振幅为解:波带片在轴上场点产生的振幅为131911020AAAAAA22()400IAA12AA 其中是自由传播时的振幅菲涅尔波带片的作用:有如透镜,可以使入射光会聚起来,菲涅尔波带片的作用:有如透镜,可以使入射光会聚起来, 产生极大的光强产生极大的光强211kkRb221111,kfkRbf令则P光源和观察屏都在距离衍射单缝无限远处光源和观察屏都在距离衍射单缝无限远处1、实验装置和实验现象、实验装置和实验现象0.16 mm0.08 mm0.04 mm0.02 mm2、单缝衍射的强度公式、单缝衍射的强度公式2Lzxx0PPABNLZ轴沿光轴方向,轴沿光轴方向,y轴沿狭缝走向,轴
14、沿狭缝走向,x轴垂直于狭缝,轴垂直于狭缝,衍射在衍射在x-z面内进行。面内进行。根据惠更斯根据惠更斯-菲涅耳原理:缝内的波前菲涅耳原理:缝内的波前AB分割为许多等宽的窄条分割为许多等宽的窄条 S它们是振幅相等的次波源,向多个方向发出次波。由于它们是振幅相等的次波源,向多个方向发出次波。由于接收屏位于接收屏位于L2的像方焦面上,角度的像方焦面上,角度 相同的衍射线会相同的衍射线会聚于同一点聚于同一点 P设入射光与光轴平行,则在波面设入射光与光轴平行,则在波面AB上无位相差,单上无位相差,单缝上下边缘缝上下边缘A、B到到 的衍射线间的光程差为的衍射线间的光程差为PLBN 设缝宽为设缝宽为a,则,则
15、sinLa 如何求振动的合成?如何求振动的合成?(1)矢量图解法)矢量图解法:由由A点作一系列等长的点作一系列等长的小矢量首尾相接,逐个小矢量首尾相接,逐个转过一个相同的角度,转过一个相同的角度,最后到达最后到达B点。点。共转过的角度为:共转过的角度为:22sinaL 0ASPSA :波前对 处振动的贡献,取,则小矢量连成的折线化为圆弧,弧中心为C点,半径为R,圆心角为2单缝衍射的矢量图解单缝衍射的矢量图解CRRBAAA 0A 22 sinAABR2ABRsinAABABAB弧长的物理意义:设想将此弧舒展开来成为一条直线。在傍轴条件下忽略设想将此弧舒展开来成为一条直线。在傍轴条件下忽略倾斜因子
16、倾斜因子 的影响,此直线的长度就代表的影响,此直线的长度就代表 时(即在时(即在幕中心幕中心 点点 )的振幅)的振幅 。0A( )f00P0sinAAsin2a单缝衍射的矢量图解单缝衍射的矢量图解CRRBAAA 0A 20sin()II衍射场中的相对强度衍射场中的相对强度20sin()II-单缝衍射因子单缝衍射因子(2)复数积分法:)复数积分法:在傍轴条件下,根据菲涅耳在傍轴条件下,根据菲涅耳-基尔霍公式基尔霍公式000 ()( )( )ikriUUQ e dxdyz2L0rrQxaz0PPx0zor00sin ,rrrxU 0光程差:与y无关,z 是某个长度,正入射时, 是与x,y无关的常数
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