第二章标量衍射理论.ppt
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1、第二章第二章Scalar Quantity Diffraction Theory标量衍射理论标量衍射理论衍射(索末菲):不能用反射或折射来解释的光线对直线衍射(索末菲):不能用反射或折射来解释的光线对直线光路的任何偏离。衍射是光传播的普遍属性,是光的波光路的任何偏离。衍射是光传播的普遍属性,是光的波动性的表现。动性的表现。衍射问题的解决方式:衍射问题的解决方式:1 1,考虑光波的矢量性,用矢量波方法求解。(数学,考虑光波的矢量性,用矢量波方法求解。(数学上很复杂,但是在某些问题上很复杂,但是在某些问题 (如研究高分辨率光栅时)(如研究高分辨率光栅时)必须要用这个方法。必须要用这个方法。2 2,
2、标量的方法(基尔霍夫标量衍射理论),把光作,标量的方法(基尔霍夫标量衍射理论),把光作为标量来处理,只考虑电磁场一个分量的复振幅。适用为标量来处理,只考虑电磁场一个分量的复振幅。适用范围:范围:衍射孔径比波长大的多,观测点离衍射孔径比较衍射孔径比波长大的多,观测点离衍射孔径比较远。远。本章将以基尔霍夫衍射公式讨论衍射问题,并利用线本章将以基尔霍夫衍射公式讨论衍射问题,并利用线性系统理论赋新的解释,我们把衍射过程看做是一个线性系统理论赋新的解释,我们把衍射过程看做是一个线性不变系统,讨论其脉冲响应和传递函数。性不变系统,讨论其脉冲响应和传递函数。1.1.衍射现象概述衍射现象概述a.a.”衍射衍射
3、”现象现象最早研究衍射现象的是格里马第最早研究衍射现象的是格里马第(F.H.Grimaldi)F.H.Grimaldi)16551655年发表论文年发表论文b.b.”衍射衍射”的最初定义(索莫菲的最初定义(索莫菲A.Sommerfeld)A.Sommerfeld)不能用反射或折射定律来解释的,不能用反射或折射定律来解释的,光线对直线光路的任意偏离现象,光线对直线光路的任意偏离现象,称为衍射。称为衍射。1.1.衍射现象概述衍射现象概述d.18d.18世纪牛顿在科学领域处于权威地位,由世纪牛顿在科学领域处于权威地位,由于他摒弃了光的波动理论,使得这一理论停于他摒弃了光的波动理论,使得这一理论停滞了
4、近一个世纪。滞了近一个世纪。c.c.惠更斯惠更斯(F.M.Huygens)F.M.Huygens)子波源假设理论子波源假设理论波前上每一点起着一个次级波源波前上每一点起着一个次级波源(子波源子波源)的的作用,每一个次级波源发出次级球面波作用,每一个次级波源发出次级球面波(子波子波),它向着四面八方扩展,所有这些次级波的,它向着四面八方扩展,所有这些次级波的包络面便是新的波前。包络面便是新的波前。可解释可解释”衍射衍射”现象,但无法定量分析现象,但无法定量分析 1.1.衍射现象概述衍射现象概述e.1801e.1801年年,杨氏干涉原理杨氏干涉原理(T.Young)T.Young)证实了光证实了光
5、的波动性的波动性振幅叠加振幅叠加f.1818f.1818年,菲涅耳年,菲涅耳(A.J.Fresnel)A.J.Fresnel)提出惠更斯提出惠更斯-菲涅耳原理。菲涅耳原理。可定性分析衍射现象,提出了定量初步模型。可定性分析衍射现象,提出了定量初步模型。g.g.基尔霍夫基尔霍夫(G.Kirchhoff)G.Kirchhoff)提出了基尔霍夫衍提出了基尔霍夫衍射理论,完善了惠更斯射理论,完善了惠更斯-菲涅耳理论。菲涅耳理论。可定性、定量分析衍射现象。可定性、定量分析衍射现象。2.2.基尔霍夫衍射理论基尔霍夫衍射理论a.a.惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理波传到的任何一点都是子波的波源,波传到的任
6、何一点都是子波的波源,p pdU(p)dU(p)rp p1 1dSdSS(S(波前波前)设初相为零设初相为零n n 各子波在空间某点的相干叠加,就各子波在空间某点的相干叠加,就决定了该点波的强度。决定了该点波的强度。p pS S *2.2.基尔霍夫衍射理论基尔霍夫衍射理论a.a.惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理分析分析:K():倾斜因子倾斜因子2.2.倾斜因子实际上是未知量。倾斜因子实际上是未知量。1.1.从定性到定量,但仍然基于子波假设从定性到定量,但仍然基于子波假设。2.2.格林定理格林定理 :设函数:设函数U U、G G单值连续可导,则有单值连续可导,则有其中其中G G是一个辅助函数是
7、一个辅助函数,称为格林函数。必须慎重选择格林函称为格林函数。必须慎重选择格林函数和封闭面数和封闭面S S。(U:(U:复振幅矢量复振幅矢量)b.b.基尔霍夫衍射公式基尔霍夫衍射公式 1.1.亥姆霍兹方程亥姆霍兹方程(H.Helmholtz)H.Helmholtz):对频率为对频率为 的单的单色光波,有色光波,有u(P,t)u(P,t)满足标量波动方程满足标量波动方程由此得由此得 (亥姆霍兹方程(亥姆霍兹方程)2.2.基尔霍夫衍射理论基尔霍夫衍射理论 ,3.3.基尔霍夫积分定理基尔霍夫积分定理 据此首先将格林定理表达式作适当简化,再通过据此首先将格林定理表达式作适当简化,再通过微分运算,最后可得
8、微分运算,最后可得 其中其中,积分面的选取有着很大的灵活性。积分面的选取有着很大的灵活性。选择选择 表示从观察点表示从观察点 指向指向 点点的矢量的矢量 的长度,则必有:的长度,则必有:2.2.基尔霍夫衍射理论基尔霍夫衍射理论b.b.基尔霍夫衍射公式基尔霍夫衍射公式 4.4.平面屏衍射的基尔霍夫公式平面屏衍射的基尔霍夫公式 选择封闭面由两部分组成选择封闭面由两部分组成(如图如图2.2.1)2.2.1):在在S S2 2面上,面上,显然有显然有 图图2.2.12.2.1 2.2.基尔霍夫衍射理论基尔霍夫衍射理论b.b.基尔霍夫衍射公式基尔霍夫衍射公式说明:基尔霍夫边界条件具有不自洽性说明:基尔霍
9、夫边界条件具有不自洽性,可通过选择别的可通过选择别的格林函数予以改善。格林函数予以改善。再由索莫菲辐射条件再由索莫菲辐射条件 故故 面上的整个积分随面上的整个积分随 R R 趋于无穷大而消失。趋于无穷大而消失。在在 面上的积分面上的积分,应用应用基尔霍夫边界条件基尔霍夫边界条件:在孔径在孔径 上上,光场分布光场分布U U及其导数及其导数 与没有屏幕时与没有屏幕时完全相同。完全相同。最后得最后得:(2.2.16):(2.2.16)在孔径在孔径 阴影区内的那部分阴影区内的那部分,光场分布及其导数恒光场分布及其导数恒 等等于零。于零。(2.2.14)(2.2.14)2.2.基尔霍夫衍射理论基尔霍夫衍
10、射理论b.b.基尔霍夫衍射公式基尔霍夫衍射公式5.5.菲涅耳菲涅耳基尔霍夫衍射公式基尔霍夫衍射公式 对对孔孔径径 采采取取具具体体的的照照明明方方式式后后,基基尔尔霍霍夫夫衍衍射射公公式式会会有有更具体的形式。更具体的形式。则有则有 最后得最后得 上式称为上式称为菲涅耳菲涅耳-基尔霍夫衍射公式。基尔霍夫衍射公式。图图2.2.2 2.2.2 单色点光单色点光源照明孔径源照明孔径 设孔径由设孔径由 点处的单色点光源照明点处的单色点光源照明(2.2.20(2.2.20)2.2.基尔霍夫衍射理论基尔霍夫衍射理论b.b.基尔霍夫衍射公式基尔霍夫衍射公式 2).2).说明倒退波是不可能的。说明倒退波是不可
11、能的。如果把菲涅耳衍射公式改写成如果把菲涅耳衍射公式改写成 (2.2.21)(2.2.21)其中其中 (2.2.22)(2.2.22)则可把则可把(2.2.21)(2.2.21)式解释为惠更斯式解释为惠更斯-菲涅耳原理。其中菲涅耳原理。其中称称 为为 倾倾 斜斜 因因 子子。若若 点点 在在 与与 入入 射射 方方 向向 相相 同同 一一 侧侧,则则 在在 近近 轴轴 条条 件件 下下 ,无倒退波。无倒退波。讨论讨论:1).:1).光源位置与观察点位置是对称的。光源位置与观察点位置是对称的。(亥姆霍兹互易定理亥姆霍兹互易定理)2.2.基尔霍夫衍射理论基尔霍夫衍射理论b.b.基尔霍夫衍射公式基尔
12、霍夫衍射公式c c.衍射公式与叠加积分衍射公式与叠加积分 则则(2.2.24)2.2.24)式式具具有有叠叠加加积积分分的的意意义义。光光波波由由 点点传传播播到到 点点的的过过程程实实际际上上是是一一个个衍衍射射过过程程,该该过过程程将将 变变换换成成 ,这这等等效效于于一一个个“系系统统”的的作作用用,由由于于满满足足叠叠加加积积分分,故故此此系系统统还还是是线性系统。对于这个系统,线性系统。对于这个系统,表征了它的全部特性。表征了它的全部特性。将将(2.2.20)(2.2.20)式写成:式写成:(2.2.24)(2.2.24)其中其中 (2.2.25)(2.2.25)2.2.基尔霍夫衍射
13、理论基尔霍夫衍射理论令令 a.a.衍射规律的频域描述衍射规律的频域描述 图图2.3.1 2.3.1 计算角谱用的坐标系计算角谱用的坐标系 则由则由3.3.衍射规律的频域表达式衍射规律的频域表达式利用亥姆霍兹方程得:利用亥姆霍兹方程得:即即 上式为二阶线性齐次常微分方程,其特征根上式为二阶线性齐次常微分方程,其特征根 只取只取+号得一基本解(另一解为倒退波):号得一基本解(另一解为倒退波):3.3.衍射规律的频域表达式衍射规律的频域表达式a.a.衍射规律的频域描述衍射规律的频域描述 .再由初始边界条件:再由初始边界条件:故得衍射规律的频域表示式故得衍射规律的频域表示式:讨论讨论:.这对应于沿某一
14、确定方向传播的平面波。这对应于沿某一确定方向传播的平面波。表示在表示在 z z 轴的方向上净能流为零。轴的方向上净能流为零。按指数按指数 急速衰减,称为急速衰减,称为隐失波。隐失波。或或 3.3.衍射规律的频域表达式衍射规律的频域表达式a.a.衍射规律的频域描述衍射规律的频域描述 得得 b.b.传播现象作为一种线性空间滤波器传播现象作为一种线性空间滤波器 由由 能求出传递函数这个事实表明,与自由传播等效的系统是一能求出传递函数这个事实表明,与自由传播等效的系统是一个线性空间不变系统,并且该系统的传递函数相当于一个低个线性空间不变系统,并且该系统的传递函数相当于一个低通滤波器。其截止空间频率为通
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