物光衍射幻灯片.ppt

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1、物光衍射第1页，共52页，编辑于2022年，星期日光的衍射现象光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传光波在空间传播遇到障碍时，其传播方向会偏离直线传播，弯入到障碍物播方向会偏离直线传播，弯入到障碍物的几何阴影中，并呈现光强的不均匀分的几何阴影中，并呈现光强的不均匀分布的现象。布的现象。是光的波动性的主要标志之一是光的波动性的主要标志之一。第2页，共52页，编辑于2022年，星期日衍射现象衍射屏衍射屏(障碍物障碍物)第3页，共52页，编辑于2022年，星期日 第一节第一节 光波的标量衍射理论光波的标量衍射理论一一.惠更斯菲涅耳原理惠更斯菲涅耳原理 1、惠更斯原理：、惠更斯原理：（1）波阵面

2、的形成，）波阵面的形成，（2）波面的传播方向。）波面的传播方向。第4页，共52页，编辑于2022年，星期日2、惠更斯菲涅耳原理、惠更斯菲涅耳原理波阵面外任一点光振动应该是波面上所有波阵面外任一点光振动应该是波面上所有子波相干叠加子波相干叠加 的结果。的结果。图图1 光波通过圆孔的惠更斯作图法光波通过圆孔的惠更斯作图法第5页，共52页，编辑于2022年，星期日由单色光源由单色光源S发出的球面波，在某一时刻的波阵面为发出的球面波，在某一时刻的波阵面为，则，则 图2 点光源S对P点的作用子波向P点的球面波公式子波法线方向的振幅子波振幅随q角的变化第6页，共52页，编辑于2022年，星期日在波阵面在波

3、阵面 上取一面积元，显然此面积元可认为是一个次波源，上取一面积元，显然此面积元可认为是一个次波源，对于衍射屏幕上的对于衍射屏幕上的P点，传来的光振动应该是点，传来的光振动应该是式中，称为倾斜因子，表征式中，称为倾斜因子，表征 r 在在P点引起的光振幅与由点引起的光振幅与由到到P点方向的倾角的关系，点方向的倾角的关系，它随着它随着 的增大而减小。的增大而减小。如果在波阵面处障碍物开口面积为如果在波阵面处障碍物开口面积为 ，则，则P点的振动应该是点的振动应该是第7页，共52页，编辑于2022年，星期日基尔霍夫在电磁波理论基础上运用严格数学方法导出基尔霍夫在电磁波理论基础上运用严格数学方法导出P点的

4、光振动应该是：点的光振动应该是：式中的式中的 即是方向因子。即是方向因子。二、基尔霍夫衍射公式的近似二、基尔霍夫衍射公式的近似第8页，共52页，编辑于2022年，星期日 y1 y 衍射屏 观察屏 x1 z1 x第9页，共52页，编辑于2022年，星期日菲涅耳近似菲涅耳近似:夫琅和费近似夫琅和费近似:夫琅和费衍射公式夫琅和费衍射公式第10页，共52页，编辑于2022年，星期日两类衍射(按光源按光源-障碍物障碍物-观察屏相对距离区分观察屏相对距离区分)光源和光源和(或或)观察屏距障碍物不是无限远观察屏距障碍物不是无限远.光源及观察屏距障碍物均为无限远光源及观察屏距障碍物均为无限远.第11页，共52

5、页，编辑于2022年，星期日条件实现第12页，共52页，编辑于2022年，星期日单缝衍射夫 琅 禾 费 单 缝 衍 射 基 本 光 路第13页，共52页，编辑于2022年，星期日衍射图样第14页，共52页，编辑于2022年，星期日l衍射主极大：衍射主极大：=0=0l极小：极小：=、22、l次极大：次极大：第15页，共52页，编辑于2022年，星期日单缝公式无论明纹或暗纹无论明纹或暗纹,其角分布均取决于比值其角分布均取决于比值第16页，共52页，编辑于2022年，星期日缝宽因素波长一定波长一定,缝宽越窄缝宽越窄,衍射现象越显著衍射现象越显著.第17页，共52页，编辑于2022年，星期日波长因素缝

6、宽一定缝宽一定,波长越长波长越长,则各级衍射角越大则各级衍射角越大,中央明纹越宽中央明纹越宽.第18页，共52页，编辑于2022年，星期日例题1解解:对对 ,级暗纹有级暗纹有第19页，共52页，编辑于2022年，星期日例题2=650nm=650nm光的第一级暗纹光的第一级暗纹第20页，共52页，编辑于2022年，星期日中央亮斑的半角宽度：中央亮斑的半角宽度：中央亮斑的半宽度：中央亮斑的半宽度：第21页，共52页，编辑于2022年，星期日第22页，共52页，编辑于2022年，星期日第23页，共52页，编辑于2022年，星期日圆孔爱里第24页，共52页，编辑于2022年，星期日圆孔公式爱里斑中的光

7、能占通过圆孔光能的爱里斑中的光能占通过圆孔光能的84%84%第一级暗环第一级暗环(即爱里斑的边沿即爱里斑的边沿)的角位置的角位置 的实验规律的实验规律第25页，共52页，编辑于2022年，星期日 衍射图强度分布式：衍射图强度分布式：中央亮斑（艾里斑）半径：中央亮斑（艾里斑）半径：中央亮斑角半径：中央亮斑角半径：第26页，共52页，编辑于2022年，星期日 五、夫琅和费衍射图样的特点五、夫琅和费衍射图样的特点衍射图样扩散的程度与孔径大小成反比；衍射图样扩散的程度与孔径大小成反比；衍射屏在自身平面内平移不改变衍射图样的位置和形状；衍射屏在自身平面内平移不改变衍射图样的位置和形状；倾斜平面波照明孔径

8、将使衍射图样产生平移；倾斜平面波照明孔径将使衍射图样产生平移；除中心点外，互补屏夫琅和费衍射图样的强度分布相同；除中心点外，互补屏夫琅和费衍射图样的强度分布相同；第27页，共52页，编辑于2022年，星期日分辨本领(相当于圆孔相当于圆孔)第28页，共52页，编辑于2022年，星期日瑞利判据恰好等于恰好等于 时时,目标中的两个物点恰好能分辨目标中的两个物点恰好能分辨.第29页，共52页，编辑于2022年，星期日畧偏临界第30页，共52页，编辑于2022年，星期日分辨星星 如果用望远镜观察到在视场中靠得很近的四颗星星恰能被分辨。若将该望远镜的物镜孔径限制得更小，则可能分辨不出这是四颗星星。第31页

9、，共52页，编辑于2022年，星期日提高分辨第32页，共52页，编辑于2022年，星期日一一.在像面观察的夫琅和费衍射在像面观察的夫琅和费衍射成像系统对点物在它的像面上所成的像是夫琅和费衍射图样成像系统对点物在它的像面上所成的像是夫琅和费衍射图样.二二.成像系统的分辨率成像系统的分辨率光学成像系统的分辨率是光学成像系统的分辨率是指它能分辨开两个靠近的点物或物体细节的指它能分辨开两个靠近的点物或物体细节的能力能力.瑞利判据瑞利判据:一个点物衍射图样的中央极大与近旁另一个点物衍射图样的第一个点物衍射图样的中央极大与近旁另一个点物衍射图样的第一极小重合一极小重合,作为光学成像系统的分辨极限作为光学成

10、像系统的分辨极限.第33页，共52页，编辑于2022年，星期日1.望远镜的分辨率望远镜的分辨率2.照相物镜的分辨率照相物镜的分辨率以像面上每毫米能分辨的直线数以像面上每毫米能分辨的直线数N来表示来表示;3.显微镜的分辨率显微镜的分辨率第34页，共52页，编辑于2022年，星期日相机例题=550 nm 的光物镜直径 D=5.0 cm焦距焦距 f=17.5 cmf=17.5 cm能分辨多少条线?1.221.34210(rad)52.349 103(mm)1425.8(mm )1第35页，共52页，编辑于2022年，星期日人眼例题若考虑眼内玻璃状液折射率若考虑眼内玻璃状液折射率n=1.34,n=1.

11、34,则眼内最小分辨角则眼内最小分辨角处和10m处两物点的最小间距.D=2 mm，=550 nm能分辨25cm(明视距离)1010米处分辨最小间距米处分辨最小间距1.223.3510(rad)48.3510(mm)23.35(mm)第36页，共52页，编辑于2022年，星期日光柵衍射光柵常数光柵常数:第37页，共52页，编辑于2022年，星期日双重因素缝与缝之间的子波干涉产生干涉条纹缝与缝之间的子波干涉产生干涉条纹,各条纹的强度受单缝衍射条纹强度调制各条纹的强度受单缝衍射条纹强度调制缝数增多缝数增多,缝间干涉明纹变细缝间干涉明纹变细.缝数很多缝数很多,缝间干涉形成一系列很细的干涉明纹缝间干涉形

12、成一系列很细的干涉明纹,各明纹的极值受单缝衍射因素的调制各明纹的极值受单缝衍射因素的调制.第38页，共52页，编辑于2022年，星期日 衍射屏 观察屏一、强度分布公式一、强度分布公式设设 最边沿的单缝的夫琅最边沿的单缝的夫琅 P和费衍射图样在和费衍射图样在P点的复点的复振幅为：振幅为：相邻单缝在相邻单缝在P点产生的相位差为：点产生的相位差为：多缝在多缝在P点产生的复振幅是点产生的复振幅是N个振幅相同、相邻光束相位差相等的多光束干涉的个振幅相同、相邻光束相位差相等的多光束干涉的结果结果第39页，共52页，编辑于2022年，星期日 P点的光强为：点的光强为：二、多缝衍射图样二、多缝衍射图样当当或：

13、或：有极大值有极大值N2，称之为主极大，称之为主极大当当 有极小值，为零有极小值，为零或：或：第40页，共52页，编辑于2022年，星期日相邻两个零值之间的角距离为：相邻两个零值之间的角距离为：相邻两个零值之间有一个次极大，强度约为主极大的相邻两个零值之间有一个次极大，强度约为主极大的4%；各主极大的强度为：各主极大的强度为：第41页，共52页，编辑于2022年，星期日第42页，共52页，编辑于2022年，星期日第43页，共52页，编辑于2022年，星期日缺级现象图为 /=3 时的缺级情况第44页，共52页，编辑于2022年，星期日光栅光谱 对同级明纹，波长较长的光波衍射角较大对同级明纹，波长

14、较长的光波衍射角较大。白光或复色光入射，高级次光谱会相互重叠。白光或复色光入射，高级次光谱会相互重叠。第45页，共52页，编辑于2022年，星期日第46页，共52页，编辑于2022年，星期日 能对入射光波的振幅或相位进行空间周期性调制，或对振幅和相能对入射光波的振幅或相位进行空间周期性调制，或对振幅和相位同时进行空间周期性调制的光学元件称为位同时进行空间周期性调制的光学元件称为衍射光栅衍射光栅。1 0 -1 -1 1 0 透射光栅透射光栅 反射光栅反射光栅 一、光栅的分光性能一、光栅的分光性能（一）光栅方程：决定各级主极大位置的关系式。（一）光栅方程：决定各级主极大位置的关系式。第47页，共5

15、2页，编辑于2022年，星期日第48页，共52页，编辑于2022年，星期日（二）光栅的色散：除零级外，不同波长的同一级主极大对应不同的（二）光栅的色散：除零级外，不同波长的同一级主极大对应不同的衍射角，此现象称为光栅的色散。衍射角，此现象称为光栅的色散。角色散角色散：波长相差：波长相差0.1nm的两条谱线分开的角距离的两条谱线分开的角距离线色散线色散：物镜焦面上波长相差：物镜焦面上波长相差0.1nm的两条谱线分开的距离的两条谱线分开的距离（三）光栅的色分辩本领（三）光栅的色分辩本领指能分辩两个波长差很小的谱线的能力；指能分辩两个波长差很小的谱线的能力；m-光谱级次光谱级次;N-光栅线数光栅线数

16、;第49页，共52页，编辑于2022年，星期日（四）光栅的自由光谱范围（四）光栅的自由光谱范围二、正弦（振幅）光栅：二、正弦（振幅）光栅：对入射光波的振幅按余弦或正弦函数变化规律进行调制，而不影响其相对入射光波的振幅按余弦或正弦函数变化规律进行调制，而不影响其相位分布。位分布。它的复振幅透射系数为：它的复振幅透射系数为：第50页，共52页，编辑于2022年，星期日推导得光强分布为推导得光强分布为:0级谱线级谱线 +1级谱线级谱线 -1级谱线级谱线第51页，共52页，编辑于2022年，星期日三、闪耀光栅三、闪耀光栅 1级级 0级级 衍射分布衍射分布 2级级 槽面槽面光栅面光栅面 0级级 1级级 2级级干涉主极大由光栅方程决定干涉主极大由光栅方程决定:第52页，共52页，编辑于2022年，星期日