第21章-光的衍射.ppt

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1、1)1)1)1)衍射现象衍射现象衍射现象衍射现象2)2)2)2)惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理3)3)3)3)夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法第第2121章章 光的衍射光的衍射 按几何光学的观点，光线是直线传播的。但是光在传播过程中遇到按几何光学的观点，光线是直线传播的。但是光在传播过程中遇到大小与波长相比拟的障碍物（如：小孔、小屏、狭缝、毛发和细针等）大小与波长相比拟的障碍物（如：小孔、小屏、狭缝、毛发和细针等）时，由于波振面受到限制，能绕过障碍物而偏离直线传播的现象称

2、为时，由于波振面受到限制，能绕过障碍物而偏离直线传播的现象称为光的衍射（绕射）光的衍射（绕射）光的衍射（绕射）光的衍射（绕射）。如声波可以绕过窗户进入室内等。如声波可以绕过窗户进入室内等。衍射现象是一切波动的共有特性！衍射现象是一切波动的共有特性！第第2121章章 光的衍射光的衍射Fresnel bright spot第第2121章章 光的衍射光的衍射平行光入射到圆孔平行光入射到圆孔(a)(a)和单缝和单缝(b)(b)时产生的衍射图样时产生的衍射图样第第2121章章 光的衍射光的衍射方孔衍射图样方孔衍射图样方形网络衍射图样方形网络衍射图样第第2121章章 光的衍射光的衍射光的衍射有如下特点光的

3、衍射有如下特点光的衍射有如下特点光的衍射有如下特点：衍衍衍衍射射射射 =波波波波振振振振面面面面遇遇遇遇到到到到障障障障碍碍碍碍物物物物受受受受限限限限制制制制而而而而偏偏偏偏离离离离直直直直线线线线传传传传播播播播 +光光光光能能能能在在在在空空空空间间间间的的的的不不不不均均均均匀匀匀匀分布。分布。分布。分布。光光光光束束束束在在在在什什什什么么么么方方方方向向向向受受受受到到到到限限限限制制制制，衍衍衍衍射射射射图图图图样样样样就就就就在在在在什什什什么么么么方方方方向向向向铺铺铺铺展展展展，且且且且限限限限制制制制愈愈愈愈甚甚甚甚，铺展愈甚，衍射效应愈强。铺展愈甚，衍射效应愈强。铺展愈

4、甚，衍射效应愈强。铺展愈甚，衍射效应愈强。第第2121章章 光的衍射光的衍射Fraunhofer diffractionFresnel diffraction第第2121章章 光的衍射光的衍射1)1)1)1)衍射现象衍射现象衍射现象衍射现象2)2)2)2)惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理3)3)3)3)夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法第第2121章章 光的衍射光的衍射第第2121章章 光的衍射光的衍射1、惠更斯（、惠更斯（C.Huygens)原理原理 惠更斯原理惠更斯原理惠

5、更斯原理惠更斯原理：媒质中波动到达的各点都可以看作是：媒质中波动到达的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后任一时刻，这些子波的包络发射子波的波源，在其后任一时刻，这些子波的包络面就是波在该时刻的新的波面。面就是波在该时刻的新的波面。第第2121章章 光的衍射光的衍射 惠更斯的惠更斯的“子波源子波源”理论成功地解决了几何光学中光的反理论成功地解决了几何光学中光的反射、折射定理。但惠更斯原理是很不完备的，只涉及到了光射、折射定理。但惠更斯原理是很不完备的，只涉及到了光的传播问题，并未涉及到光强问题，无法对各种衍射图样中的传播问题，并未涉及到光强问题，无法对各种衍射图样中的明暗条纹及其光强分布进行

6、定量分析。的明暗条纹及其光强分布进行定量分析。18161816年，法国青年物理学家菲涅耳注年，法国青年物理学家菲涅耳注意到惠更斯原理的弱点，受杨氏双缝干涉意到惠更斯原理的弱点，受杨氏双缝干涉的启发，他在保留惠更斯的启发，他在保留惠更斯“子波子波”概念的概念的基础上，加进了基础上，加进了“子波相干叠加子波相干叠加”的概念，的概念，提出了提出了惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理。菲菲菲菲涅涅涅涅耳耳耳耳（A.A.A.A.FresnelFresnelFresnelFresnel，1788-18271788-18271788-18271788-1827），法法国国物物理

7、理学学家家和和铁铁路路工工程程师师。他他从从小小体体弱弱多多病病，但但读读书书非非常常用用功功，学学习习成成绩绩一一直直很很好好，数数学学尤尤为为突突出。出。菲菲涅涅耳耳的的科科学学成成就就主主要要有有两两个个方方面面，首首先先是是衍衍射射。18181818年年，巴巴黎黎科科学学院院举举行行了了一一次次以以解解释释衍衍射射现现象象为为内内容容的的科科学学竞竞赛赛，年年轻轻的的菲菲涅涅耳耳出出乎乎意意料料地地取取得得了了优优胜胜。他他以以惠惠更更斯斯原原理理和和干干涉涉原原理理为为基基础础，用用新新的的定定量量形形式式建建立立了了惠惠更更斯斯-菲菲涅涅耳耳原原理理，完完善善了了光光的的衍衍射射理

8、理论论。其其次次 是是偏偏振振。他他与与D.D.F.F.J.J.阿阿拉拉果果一一起起研研究究了了偏偏振振光光的的干干涉涉，确确定定了了光光是是横横波波（18211821）；他他发发现现了了光光的的圆圆偏偏振振和和椭椭圆圆偏偏振振现现象象（18231823），用用波波动动说说解解释释了了偏偏振振面面的的旋旋转转；解解释释了了马马吕吕斯斯的的反反射射光光偏偏振振现现象象和和双双折折射射现现象，奠定了晶体光学的基础。象，奠定了晶体光学的基础。由由于于菲菲涅涅耳耳在在物物理理光光学学研研究究中中的的重重大大成成就就，被被誉誉为为“物物理理光光学学的的缔缔造造者者”。18231823年年菲菲涅涅耳耳当当

9、选选为为法法国国科科学学院院院院士士，18251825年年被被选选为为英英国国皇皇家学会会员。家学会会员。18271827年年7 7月月1414日因肺病医治无效而逝世，年仅日因肺病医治无效而逝世，年仅3939岁。岁。第第2121章章 光的衍射光的衍射2 2、惠更斯、惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理惠惠惠惠更更更更斯斯斯斯-菲菲菲菲涅涅涅涅耳耳耳耳原原原原理理理理：媒媒质质中中波波动动到到达达的的各各点点都都可可以以看看作作是是发发射射子子波波的的波波源源；从从同同一一波波阵阵面面上上各各点点发发出出的的子子波波都都是是相相干干波波，它它们们在在空空间间某某点点相相遇遇时时，将将进进行行相相干干叠叠

10、加加而而产产生生干干涉涉现象。现象。1)1)1)1)衍射现象衍射现象衍射现象衍射现象2)2)2)2)惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理3)3)3)3)夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法夫琅和费单缝衍射菲涅耳半波带法第第2121章章 光的衍射光的衍射第第2121章章 光的衍射光的衍射缝面上每一个点都是一个子波源，每一个子波源都发出射向各缝面上每一个点都是一个子波源，每一个子波源都发出射向各个方向的光线，这些光线称为个方向的光线，这些光线称为衍射光线衍射光线衍射光线衍射光线。衍射光线和波面法线的夹角称为衍射光线

11、和波面法线的夹角称为衍射角衍射角衍射角衍射角，具有相同衍射角的具有相同衍射角的衍射光线会聚于焦平面上的同一点。衍射光线会聚于焦平面上的同一点。下面研究观察屏上下面研究观察屏上P P点的光强，它是由衍射角均为点的光强，它是由衍射角均为 的一束平行光叠加的一束平行光叠加而成。而成。我们把波前我们把波前ABAB分成等面积的条形带，并使相邻两带上的对应点分成等面积的条形带，并使相邻两带上的对应点到到P P点的光程差均为点的光程差均为/2/2，这样的条形带，这样的条形带-半波带半波带半波带半波带。由于各半波带面积相等，所以各半波带上的子波数目相等。任由于各半波带面积相等，所以各半波带上的子波数目相等。任

12、意两个相邻半波带上所发出的光线到达意两个相邻半波带上所发出的光线到达P P点时光程差为点时光程差为/2（位位相差为相差为），干涉相消。），干涉相消。衍射角衍射角x2x1x1x2x2x1-x1-x2第第2121章章 光的衍射光的衍射【例题例题】用单色平行光垂直照射到宽度为用单色平行光垂直照射到宽度为 a=0.5 mm 的的单缝上，在缝后放置一个焦距为单缝上，在缝后放置一个焦距为 f=100 cm 的透镜，则的透镜，则在焦平面的屏幕上形成衍射条纹，若在离屏上中央明在焦平面的屏幕上形成衍射条纹，若在离屏上中央明纹中心距离为纹中心距离为1.5 mm 处的处的P点为一亮纹，试求：点为一亮纹，试求：入射光

13、的波长；入射光的波长；P点条纹的级数和该条纹对应的衍射角；点条纹的级数和该条纹对应的衍射角；狭缝处波面可分为几个半波带；狭缝处波面可分为几个半波带；中央明纹的宽度。中央明纹的宽度。第第2121章章 光的衍射光的衍射因为可见光因为可见光第第2121章章 光的衍射光的衍射【例题例题】平行单色光垂直入射于单缝上，观察夫琅和平行单色光垂直入射于单缝上，观察夫琅和费衍射。若屏上费衍射。若屏上P点处为第二级暗纹，则单缝处波面相点处为第二级暗纹，则单缝处波面相应地可划分为应地可划分为_个半波带。若将单缝宽度缩小个半波带。若将单缝宽度缩小一半，一半，P点将是点将是_级级_纹。纹。暗暗第一级第一级4THE END第第2121章章 光的衍射光的衍射