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[理学]会计考试第五章
* 第五章 光的衍射 5.1 惠更斯-菲涅耳原理 5.2 基尔霍夫衍射理论 5.3 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射 5.4 矩孔和单缝的夫琅禾费衍射 5.5 圆孔的夫琅禾费衍射 5.6 光学成像系统的衍射和分辨本领 5.7 双缝夫琅禾费衍射 5.8 多缝夫琅禾费衍射 5.9 衍射光栅 5.10 圆孔和圆屏的菲涅耳衍射 5.12 全息照相 5.11 直边的菲涅耳衍射 引言 衍射问题概述 光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时,所发生的偏离直线传播的现象。光的衍射,也可以叫光的绕射,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。通常将观察屏上的不均匀光强分布称为衍射图样。 衍射问题的三个基本要素: 1.光源发出的光波。 2.衍射物。 3.衍射图形。 S ∑ Π 衍射理论要解决的主要问题: 已知光源和衍射物,求解衍射图形。 衍射过程可以分为三个阶段: 1.光源发出的光波到达衍射物的过程。 2.衍射物对入射光波的限制过程。 3.被衍射物限制后的光波到达屏的过程。 5.1 惠更斯-菲涅耳原理 光是一种电磁波,光波的衍射问题应该通过麦克斯韦的电磁理论来求解。但是这种求解过程相当复杂,且多数不能获得解析解。 现代的光学教材多使用惠更斯-菲涅耳-基尔霍夫标量场理论。 1. 惠更斯原理: 1690年,惠更斯在其著作《论光》中提出假设:“波前上的每一个面元都可以看作是一个次级扰动中心,它们能产生球面子波”,并且:“后一时刻的波前的位置是所有这些子波前的包络面。” 这里,“波前”可以理解为:光源在某一时刻发出的光波所形成的波面(等相面)。“次级扰动中心可以看成是一个点光源”,又称为“子波源”。 5.1 惠更斯-菲涅耳原理 5.1 惠更斯-菲涅耳原理 惠更斯原理能够很好地解释光的直线传播,光的反射和折射方向,也可以说明衍射的存在; 但不能确定光波通过衍射屏后沿不同方向传播的振幅,因而也就无法确定衍射图样中的光强分布。 1. 惠更斯原理: t=τ cτ 平面波 t=0 t=τ cτ 球面波 ● ● ● ● ● t=0 2. 惠更斯--菲涅耳原理及数学表达式 1818年,在巴黎科学院举行的以解释衍射现象为内容的有奖竞赛会上,年青的菲涅耳出人意料地取得了优胜,他吸收了惠更斯提出的次波概念,用“次波相干迭加”的思想将所有衍射情况引到统一的原理中来, 这个原理就是惠更斯-菲涅耳原理。 波前上任何一个未受阻挡的点都可以看作是一个频率(或波长)与入射波相同的子波源;在其后任何地点的光振动,就是这些子波叠加的结果。 s为点波源,∑为从S发出的球面波在某时刻到达的波面,P为波场中的某个点。要问,波在P点引起的振动如何? 2. 惠更斯--菲涅耳原理及数学表达式 应该把∑面分割成无穷多的面元d ∑ ,把每个面元d ∑看成发射次波的波源,从所有面元发射的次波将在P点相遇。 一般说来,由各面元d ∑到P点的光程是不同的,从而在P点引起的振动位相不同,P点的总振动就是这些次波在这里相干叠加的结果。 2. 惠更斯--菲涅耳原理及数学表达式 考虑下图球面波经过一孔径的衍射问题: 在波前Σ上入射波的复振幅可表示为: P点的光振动是Σ’上所有小面元发出的球面子波干涉叠加的结果。 2. 惠更斯--菲涅耳原理及数学表达式 Σ R Σ/ ξ x θ Π Q P χ r S 菲涅耳认为, Σ’上任一点Q处小面元dσ发出的子波应该表示为: Σ R Σ/ ξ x θ Π Q P χ r S 2. 惠更斯--菲涅耳原理及数学表达式 P点的复振幅: 2. 惠更斯--菲涅耳原理及数学表达式 Σ R Σ/ ξ x θ Π Q P χ r S 5.2 基尔霍夫衍射积分公式 1818年菲涅耳提出了惠更斯-菲涅耳原理,并给出了菲涅耳衍射积分公式。最初菲涅耳作的各项假设时,只凭朴素的直觉。 六十余年后,基尔霍夫(1882年)建立了一个严格的数学理论,证明菲涅耳的设想基本上正确,只是菲涅耳给出的倾斜因子不对,并对其进行了修正。 5.2 基尔霍夫衍射积分公式 由亥姆霍兹-基尔霍夫定理和相应边界条件得到基尔霍夫衍射积分公式: 与菲涅耳衍射积分式对比可知,两者是一致的 S ∑ Q P 如果点光源离产生衍射的开孔?足够远,则入射光可视为垂直入射的平面波。对于?上各点都有cosα1=-1,cos α2 =cos ?,因此 5.2 基尔霍夫衍射积分公式 当?=0时,K(?)=1,表示在波面法线方向上子波的振幅最大; 当?=?时,K(?)=0,这一结论证明菲涅耳关于?= ?/2时K(?)=0的结论是不正确
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