物理光学与应用光学——第3章-1.ppt

对于傍轴光线，开孔 ? 的线度和观察屏上的考察范围都远小于开孔到观察屏的距离，因此： ① cos(n, r) ≈ 1，于是 K(θ) ≈ 1 ② r ≈ z1 基尔霍夫衍射积分方程可以简化为： （2）距离近似——菲涅耳近似和夫朗和费近似 为了对距离的影响有一明确的概念，进一步考察单色光经过衍射小孔后的衍射现象。 ? K K1 K2 K3 K4 屏离衍射孔距离不同，得到的衍射图样不同： K2、K3及其附近的衍射现象称为近场衍射或菲涅耳衍射； 在很远处(如K4面)的衍射现象称为远场衍射或夫朗和费衍射。 近场、远场的划分是相对的，对一定波长的光来说，衍射孔径愈大，相应的近场与远场的距离也愈远。此外，如果入射光波不是平面波而是发散的球面波，则近场图样将移到更远的距离范围，而远场图样可能不再出现。 用基尔霍夫衍射公式计算近场和远场衍射时，可以按照离衍射孔的距离将衍射公式进行简化。 ①菲涅耳近似 设 ，则由几何关系有： K ? O Q ? P E ? r x x1 y y1 z1 P0 当 z1 大到满足： r 表示式中第三项及以后的各项都可略去，简化为： 这一近似称为菲涅耳近似，在这个区域内观察到的衍射现象叫菲涅耳衍射(或近场衍射)。在菲涅耳近似下，P点的光场复振幅为： ② 夫朗和费近似——远场近似 这一近似称为夫朗和费近似，在这个区域内观察到的衍射现象叫夫朗和费衍射(或远场衍射)。 可将 r 进一步简化为： 当观察屏离孔的距离满足： 在夫朗和费近似下，P点的光场复振幅为： 菲涅耳衍射和夫朗和费衍射是傍轴近似下的两种衍射情况。 二者的区别条件是观察屏到衍射屏的距离 z1与衍射孔的线度(x1，y1)之间的相对大小。 例如，当?=0.63?m，孔径线度为2mm，观察距离z11cm 时为菲涅耳衍射，z13 m 时为夫朗和费衍射。 作 业 2，10 第 3 章 光的衍射 3.1 衍射的基本理论 3.2 夫琅和费衍射——远场衍射 3.3 菲涅耳衍射——近场衍射 3.4 光栅和波带片 3.5 衍射现象的应用 3.1 衍射的基本理论 3.1.1 光的衍射现象 3.1.2 惠更斯—菲涅耳原理 3.1.3 基尔霍夫衍射公式 3.1.1 光的衍射现象 1. 光的衍射现象 2. 衍射现象的基本特征 3. 衍射现象的物理本质 1. 光的衍射现象 光的衍射是指光波在其传播过程中对直线传播的任何偏离现象。 光的衍射也叫做光的绕射。即光可绕过障碍 物，传播到障碍物的几何阴影区域中，并在障碍 物后的观察屏上呈现出光强的不均匀分布。 通常将观察屏上所呈现出的不均匀光强分布 称为光的衍射图样。 S K ? S K ? 光的直线传播 光的衍射 2. 衍射现象的基本特征 光的衍射现象，属于光在传播过程中与物质发生相互作用（即光遇到障碍物）而表现出来的一种传播行为。 在各向同性、均匀、线性稳定介质中，一束光在其前进的道路上遇到障碍物时，因光波的波振面受到限制，其波振面要发生连续畸变；与之相应，光能量(或光能流)的传播方向和传播路径——即光线的方向就要发生连续的弯曲。 结果： 光的传播严重背离几何光学中的直线传播定律，使光能量(或光能流)即光线进入几何阴影区，并在障碍物之后的观察屏上形成了一系列明暗相间的、非均匀的、稳定的、具有空间周期性的光强分布。 3. 衍射现象的物理本质 光波波振面上的每一点，都可以作为新的子波源，由它们发出新的球面子光波。 由于这些球面子光波是同一个波振面产生的，因而满足相干光条件。所以当它们在观察屏上相遇时就会相干叠加形成子波的干涉现象，这无限多个子波干涉之后的宏观表现便构成了光的衍射现象。 所以衍射在本质上属于干涉，是一种特殊的干涉现象。 3.1.2 惠更斯—菲涅耳原理 S ?? ? 惠更斯原理 惠更斯原理——波源 S 在某一时刻所产生波的波阵面为?，则? 面上的每一点都可以看作是一个次波源，它们发出球面次波，其后某一时刻的波阵面??，即是该时刻这些球面次波的包迹面，波阵面的法线方向就是该波的传播方向。 意义：很好解释了光直线传播及反射和折射方向； 局限性：不能说明衍射过程及其强度分布。 惠更斯—菲涅耳原理 考虑到次波来自于同一光源，应该相干，因而波阵面??上每一点的光振动应该是在光源和该点之间任一波面(例如?面)上的各点发出的次波场叠加的结果。 解释衍射现象：在任意给定的时刻，任一波面上的点都起着次波波源的作用，它们各自发出球面次波，障碍物以外