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[工学]工程光学-12光的衍射1210

第十二章 光的衍射 第十二章 光的衍射 * * 光在传播路径中遇到障碍物(其线度比光的波长大得不多)时,能绕过障碍物边缘而进入几何阴影传播,并且产生强弱不均的光强分布,这种现象称为光的衍射。 一、光的衍射现象 光的衍射 在衍射中,不只是光波的绕弯传播,光波场中的能量也将重新分布,产生明暗相间的衍射条纹。 * S l l 3 10-3 a 衍射屏 观察屏 a L 缝较大时,光是直线传播的 缝很小时,衍射现象明显 阴 影 屏幕 屏幕 光的干涉与衍射一样,本质上都是光波相干叠加的结果。 一般来说,干涉是指有限个分立的光束的相干叠加。干涉强调的是不同光束相互影响而形成相长或相消的现象。 衍射则是连续的无限个子波的相干叠加。衍射强调的是光线偏离直线而进入阴影区域。 干涉与衍射的区别 二、衍射的分类 衍射系统由光源、衍射屏、接收屏组成。 衍射屏离光源或接收屏的距离 为有限远时的衍射 —— 近场衍射。 菲涅耳衍射 夫琅和费衍射 衍射屏距离光源和接收屏的距离是无限远的衍射 —— 远场衍射。 * S l 衍射屏 观察屏 a L L 衍射屏 观察屏 L ¢ * S l 一、惠更斯-菲涅耳原理 第一节 惠更斯-菲涅耳原理 1690年惠更斯提出惠更斯原理,认为波前上的每一点都可以看作是发出球面子波的新的波源,这些子波的包络面就是下一时刻的波前。 1818年,菲涅耳运用子波可以相干叠加的思想对惠更斯原理作了补充。他认为从同一波面上各点发出的子波,在传播到空间某一点时,各个子波之间也可以相互叠加而产生干涉现象。这就是惠更斯-菲涅耳原理。 考察单色点光源S对空间任意一点P的光作用。选取S和P之间一个波面,并以波面上各点发出的子波在P点相干叠加的结果代替S对P的作用。 单色点光源S在波面上任一点Q产生的复振幅为 R是波面的半径 A为离点光源单位距离处的振幅 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θ角的变化 ZZ范围内的波面上的面元发出的子波对P点产生的复振幅总和。 按菲涅耳的假设 K有最大值 增大 K迅速减小 K=0 求解此公式的主要问题:C、K(θ)没有表达公式。 利用上式可计算任意形状开孔或屏障的衍射问题。 积分面可以选择波面,也可以选择S和P之间的任何一个曲面或平面,设其复振幅分布为 ,这一平面或曲面上的各点发出的子波在P点产生的复振幅可表示为 可看作惠更斯-菲涅耳原理的推广。 二、菲涅耳——基尔霍夫衍射公式 利用上节公式对一些简单形状的开孔的衍射现象进行计算时,得出的衍射光强分布与实际相符合。但菲涅耳理论本身不严格,勉强引入倾斜因子,缺乏理论依据。其缺点可由基尔霍夫衍射理论来弥补。 基尔霍夫从波动方程出发,用场论的数学工具导出较严格的公式。 它表示单色光源发出的球面波照射到孔径上,在孔径后任意一点P处产生光振动的复振幅。 按照惠更斯-菲涅耳原理的基本思想解释: 若点光源离开孔足够远,使入射光可看成垂直入射到开孔的平面波,对于开孔各点都有: 则 在波面法线方向上次波的振幅最大 菲涅耳关于 是不正确的 三、基尔霍夫衍射公式的近似 (一)旁轴近似 (二)菲涅耳近似和菲涅耳衍射计算公式 (三)夫琅和费近似和夫琅和费衍射公式 第四项可以略去 第二节 典型孔径的夫琅和费衍射   一、实验装置 单色平行光垂直照射单缝,缝宽为a 二、夫琅和费衍射公式的意义 P点的复振幅 * * *

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