衍射的应用.ppt

第3章　光的衍射 3.4 衍射的应用 3.4.1 衍射光栅- -光谱仪 3.4.2 波导光栅 3.4.3 全息光栅 3.4.4 波带片 3.4.5 微光学透镜 3.4.1 衍射光栅- -光谱仪 1.衍射光栅 1)光栅概述 2)光栅方程 3)衍射光栅的分光原理 2.闪耀光栅 1)闪耀光栅的结构 2)闪耀光栅的闪耀原理 3.光谱仪 1)光谱仪概述 2)光栅光谱仪的特性 1、衍射光栅1)光栅概述 衍射光栅 一种应用非常广泛、非常重要的光学元件，主要用作分光(从远红外到真空紫外)元件，还可用于长度和角度的精密测量、自动化测量及调制元件； 工作基础：夫朗和费多缝衍射效应。 光栅 狭义：由大量等宽、等间隔的狭缝构成的光学元件。 世界上最早的光栅是夫朗和费在1819年制成的金属丝栅网，现在的一般光栅是通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等间距的刻痕制成。 广义：凡是能使入射光的振幅或相位，或者两者同时产生周期性空间调制的光学元件。 基于此，出现了所谓的晶体光栅、超声光栅、晶体折射率光栅等新型光栅。 光栅的分类 按工作方式分 透射光栅 反射光栅 按对入射光的调制作用分 振幅光栅 相位光栅 光栅常数- -d 在光学光谱区采用的光栅刻痕密度为0.2～2400条/mm，实验室研究工作中常用的是600条/mm和1200条/mm，总数为 5×104条； 刻痕的倒数即是光栅常数d; 2)光栅方程 在光栅光强分布函数中，光强出现主最大值的条件是 不同入射情况下的光栅方程(透射) 图(a)入射光正射光栅。此时，相邻两缝衍射光束间的光程差为dsin?，光栅方程： dsin?=m?- -两束光干涉相长的条件 图(b)入射光以?0角斜射，衍射光与入射光在法线的同侧时。两相邻缝衍射光束间的光程差为： d(sin?+sin?0)。故对应的光栅方程为： d(sin?+sin?0)=m?，m=0，±1，±2… 图(c)入射光以?0角斜射，衍射光与入射光在法线的异侧时。两相邻缝衍射光束间的光程差为： d(sin?-sin?0)。故对应的光栅方程为： d(sin?-sin?0)=m?，m=0，±1，±2… 3)衍射光栅的分光原理 可见，对于给定光栅常数d的光栅，当用复色光照射时，除零级衍射光外，不同波长的同一级衍射光不重合，即发生“色散”现象，这就是衍射光栅的分光原理。 对应于不同波长的各级亮线称为光栅谱线，不同波长光谱线的分开程度随着衍射级次的增大而增大，对于同一衍射级次而言，波长大者，θ大，波长小者，θ小。 白光光栅光谱 2、闪耀光栅1) 闪耀光栅的结构 闪耀光栅又称炫耀光栅、定向光栅，是一种相位型光栅。 平面光栅的不足 平面光栅(透射、反射)衍射的零级主极大，无色散作用，不能用于分光，光栅分光必须利用高级主极大。 由多缝衍射的强度分布已知，多缝衍射的零级主极大占有很大的一部分光能量，可用于分光的高级主极大的光能量较少，大部分能量将被浪费。 平面光栅不足的原因 平面衍射光栅的零级主极大占有很大的一部分光能量，是由干涉零级主极大与单缝衍射主极大重合而造成的； 这种重合的起因是干涉和衍射的光程差均由同一衍射角?决定。 闪耀光栅的结构 图3-39(a)所示的、在平面玻璃上刻出锯齿形细槽构成的透射式闪耀光栅； 和图3- 39(b)所示的、在金属平板表面刻出锯齿槽构成的反射式闪耀光栅； 可以通过折射和反射的方法，将干涉零级与衍射中央主极大位置分开。 2) 闪耀光栅的闪耀原理 图3-40所示，反射式闪耀光栅 如何实现干涉零级和衍射中央主极大方向的分离？ 讨论 若光沿槽面法线方向入射，则α=β=0，?=θ=θ0。上式简化为 3、光谱仪1)光谱仪概述 光谱仪是一种利用光学色散原理设计制作的光学仪器； 主要用于研究物质的辐射，光与物质的相互作用，物质结构， 物质含量分析，探测星体和太阳的大小、质量、运动速度和方向等。 从应用范围分类 发射光谱分析用光谱仪：包括看谱仪，摄谱仪和光电直读光谱仪 吸收光谱分析用光谱仪：包括各种分光光度计。 从光谱仪的出射狭缝分类 单色仪：一个出射狭缝；多色仪：两个以上出射狭缝；摄谱仪：没有出射狭缝。 按其应用的光谱范围分类 真空紫外光谱仪、近紫外光谱仪、可见光谱仪、近红外光谱仪，红外和远红外光谱仪。 最近问世的微型光纤光谱仪属于光电直读式光谱仪。 光谱仪的组成 主要由三部分组成： 光源和照明系统、分光系统、接收系统。 光谱仪的接收系统 接收系统：是用于测量光谱成分的波长和强度，从而获得被研究物质的相应参数。 有三类接收系统： 基于光化学作用的乳胶底片摄像系统； 基于光电作用的CCD等光电接收系统； 基于人眼的目视系统，它也被称为看谱仪。 2)光栅光谱仪的特性 右图所示，里特罗自准直光谱仪， (a)中的透镜L起着准直和会聚双重作用，光栅G的