大学光学经典课件L9 光的衍射.ppt

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大学光学经典课件L9 光的衍射

* 光的衍射 第二章 波动光学基本原理 §5 光的衍射现象和惠更斯-菲涅耳原理 1.光的衍射现象 1)衍射的定义: 光波在传播过程遇到障碍物时, 光束偏离直线传播, 强度发生重新分布的现象。 衍射——光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影区,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。 2)衍射装置: 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、山丘和建筑物等),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,光主要表现出直线传播的特性。 产生衍射现象的条件:主要取决于障碍物或空隙 的线 度与波长大小的对比。 3)衍射强弱与障碍物尺寸的关系: 以上:衍射效应不明显 :衍射效应明显 :向散射过渡 4)各种衍射现象 5)衍射现象的特点 (1)在什么方向受限制, 衍射图样就沿什么方向扩展 (2)限制越厉害,衍射越强烈 如何从理论上解释光的衍射现象呢? * 偏离直线的含义 * 缝宽与波长的关系 * 限制与扩展 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 Huygens-Fresnel原理 惠更斯 — 菲涅耳原理 惠更斯 菲涅耳 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 波场中各点的强度由各子波在该点的相干叠加决定 能定量解释衍射图样中的强度分布 2. 惠更斯-菲涅耳原理 1)原理的表述: (2)相干叠加 (1)次波 波前?上每个面元d?都可以看成是新的振动中心,它们发出次波。在空间某一点P的振动是所有这些次波在该点的相干迭加。 2)原理的数学表达式: (相干叠加----复振幅线性叠加) 3)假设: (表示波前上Q点面元的子波复振幅函数) (表示子波所发的球面波) (表示方向因子,由面源发出的次波不是各向同性的) 4)菲涅耳衍射积分公式: 即:不存在向后倒退的次波 5)菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 : : =》 这个相位差 抵消了相干叠加引起的 附加相位差 ,确保了菲涅耳- 基尔霍夫衍射积分公式定量计算的正确性。 光孔部分 的复振幅: 光屏部分 的复振幅: 其它部分 的 ,积分为零 菲涅耳衍射积分公式简化为: 若 ,且 1)衍射屏的性质: 是自由传播的情形 两屏互补,即: 3.巴俾涅原理 2)巴俾涅原理 已知: 则有: 3)说明 4)用途 已知一种衍射屏形成的波场的复振幅或光强, 往往可以计算出其互补屏的复振幅和光强。 已知: S (o) O P S P O (a) (b) P O S (1) 或 不是巴俾涅原理,后一个公式也不成立。 则有: 又由于: 注意: (2)几何像点处没有 , 因为 4.衍射的分类 菲涅耳衍射: 光源和接收屏幕距离衍射屏幕有限远 等效形式 夫琅和费衍射: 光源和接收屏幕距离衍射屏幕无限远 5.干涉与衍射的区别 干涉与衍射都是相干叠加,其相同点是主要的。 不同点是次要的: 1)干涉是离散点源发出的光波的相干叠加, 衍射是连续次波源发出的次波的相干叠加。 2)干涉的叠加是 求和,衍射的叠加是积分求和。 3)离散点源的光线遵循几何光学规律传播,次 波源的光线一般不服从几何光学传播规律。 §6 菲涅耳圆孔和圆屏衍射 1.菲涅耳圆孔和圆屏衍射 1)衍射装置 量级 量级 2)实验现象 衍射图样是亮暗相间的同心圆环, 中心点可能是亮的,也可能是暗的。 孔径变化,衍射图样中心的亮暗交替变化。 移动屏幕,衍射图样中心的亮暗交替变化 圆屏的衍射图样也是同心圆环, 但衍射图样的中心总是一个亮点。 中心强度随 的变化很敏感,随距离 的 变化很迟缓。 *

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