高二物理竞赛光栅光谱仪课件.ppt

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1、第四章第四章 衍射光栅衍射光栅1、光栅光谱仪光栅光谱仪光栅的光栅的 色分辨本领色分辨本领1）瑞利判据：）瑞利判据：色散本领只能反映谱线中心分离的程度，色散本领只能反映谱线中心分离的程度，不能说明两条谱线重叠得是否可以分辨，不能说明两条谱线重叠得是否可以分辨，是两谱线刚能分辨的瑞利判据。是两谱线刚能分辨的瑞利判据。2）色分辨本领的定义：）色分辨本领的定义：波长波长 与在其附近刚可被分辨的与在其附近刚可被分辨的两条谱线的最小波长间隔两条谱线的最小波长间隔 之比之比由由 有：有：得：得：3）讨论：）讨论：与与 成正比，与成正比，与 无关。无关。一个宽一个宽 的光栅，每毫米内有的光栅，每毫米内有120

2、0条狭缝，条狭缝，求在求在 的一级光谱附近刚能分辨的最小的一级光谱附近刚能分辨的最小波长差为多少？波长差为多少？4）例题：）例题：解：解：得：得：，量程与自由光谱范围量程与自由光谱范围1）量程）量程（1）量程的定义：）量程的定义：最大待测波长最大待测波长（2）最大待测波长值：）最大待测波长值：2）自由光谱范围）自由光谱范围（1）自由光谱范围定义：）自由光谱范围定义：光谱区之间不重叠的光谱范围光谱区之间不重叠的光谱范围（2）自由光谱范围值：）自由光谱范围值：自由光谱范围：自由光谱范围：时：时：闪耀光栅闪耀光栅 1）闪耀光栅的结构和光路）闪耀光栅的结构和光路：闪耀角：闪耀角：槽面法线方向：槽面法线

3、方向：槽面宽度：槽面宽度：光栅平面法线方向：光栅平面法线方向：槽面间隔：槽面间隔且有：且有：两种入射方式：两种入射方式：平行光线以垂直槽面或平行光线以垂直槽面或垂直光栅平面方式入射。垂直光栅平面方式入射。2）透射光栅的缺点）透射光栅的缺点无色散的零级干涉主极强占有光能的无色散的零级干涉主极强占有光能的很大一部分很大一部分 单元衍射零级极强与缝间干涉零级单元衍射零级极强与缝间干涉零级主极强重叠主极强重叠原因：原因：3）闪耀光栅的特点）闪耀光栅的特点（1）单元衍射零级极强与某一个非零级）单元衍射零级极强与某一个非零级 干涉主极强重叠。干涉主极强重叠。（2）除与单元零级衍射极强重叠的干涉主极强）除与

4、单元零级衍射极强重叠的干涉主极强 外，其余缝间干涉主极强均缺级。外，其余缝间干涉主极强均缺级。因为：因为：能量几乎全部集中到一个能量几乎全部集中到一个非零级彩色干涉主极强上非零级彩色干涉主极强上形成了强烈的形成了强烈的彩色闪耀光谱彩色闪耀光谱缺级公式变成：缺级公式变成：4）平行光垂直槽面入射时）平行光垂直槽面入射时在单元衍射零级极强方向上满足单元衍射零级极强方向上满足缝间干涉极大的光程差条件缝间干涉极大的光程差条件此时单元衍射零级极大方向此时单元衍射零级极大方向沿垂直槽面方向沿垂直槽面方向相邻槽面间的入反射光线沿相邻槽面间的入反射光线沿此方向的光程差为：此方向的光程差为：令令:满足这个条件的波

5、长满足这个条件的波长 附近的一级光谱被闪耀附近的一级光谱被闪耀5）平行光垂直光栅平面入射时）平行光垂直光栅平面入射时在单元衍射零级极强方向上满足在单元衍射零级极强方向上满足缝间干涉极大的光程差条件缝间干涉极大的光程差条件此时单元衍射零级极大方向此时单元衍射零级极大方向沿与入射光夹角沿与入射光夹角的反射方向的反射方向相邻槽面间的入反射光线相邻槽面间的入反射光线沿此方向的光程差为：沿此方向的光程差为：，令令:满足这个条件的波长满足这个条件的波长 附近的一级光谱被闪耀附近的一级光谱被闪耀分析红外波段分析红外波段 附近的一级光谱，决定附近的一级光谱，决定选用闪耀角为选用闪耀角为 的光栅，问当平行光以垂

6、的光栅，问当平行光以垂直槽面方向入射时光栅的刻槽密度应为多少？直槽面方向入射时光栅的刻槽密度应为多少？6）例题：）例题：解：解：条条/mm菲涅耳公式菲涅耳公式位相关系与半波损失问题位相关系与半波损失问题1）电矢量的）电矢量的 p 反射分量在入射角等于布儒斯特角时发生突变：反射分量在入射角等于布儒斯特角时发生突变：光疏到光密，由正变负。光密到光疏，由负变正光疏到光密，由正变负。光密到光疏，由负变正2）正入射时位相的变化）正入射时位相的变化n1 n2rp+-rs-+tp+ts+3）掠射时位相的变化）掠射时位相的变化4）半波损失）半波损失 由于电矢量的位相在界面上发生突变，好象少由于电矢量的位相在界

7、面上发生突变，好象少走或多走了半个波长光程，所以成为走或多走了半个波长光程，所以成为“半波损失半波损失”反射和折射时的偏振的变化反射和折射时的偏振的变化1）P分量和分量和S分量不一致、反射时的跃变，将会改变入射光的偏振态分量不一致、反射时的跃变，将会改变入射光的偏振态2）自然光入射时，反射光和折射光一般是部分偏振光）自然光入射时，反射光和折射光一般是部分偏振光3）入射光是圆偏振光时，反射光和折射光一般是椭圆偏振光）入射光是圆偏振光时，反射光和折射光一般是椭圆偏振光4）入射光是线偏振光时，反射光和折射光仍然是线偏振光，但偏振方）入射光是线偏振光时，反射光和折射光仍然是线偏振光，但偏振方向可能发生改变向可能发生改变5）全反射时，如果入射的是线偏振光，反射光一般是椭圆偏振光）全反射时，如果入射的是线偏振光，反射光一般是椭圆偏振光6）无论什么偏振光入射，当以布儒斯特角入射时，反射光都为线偏振）无论什么偏振光入射，当以布儒斯特角入射时，反射光都为线偏振光，偏振态垂直与入射面光，偏振态垂直与入射面