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一、衍射光栅 1. 光栅: 反射光栅 透射光栅 a 透光宽度 不透光宽度 2. 光栅常数d 大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件。 13.9 衍射光栅及光栅光谱 狭缝数目 N 光栅常数: 光栅常数 衍射角 a :透光部分的宽度 b:不透光部分的宽度 光栅常数:光栅的透明缝宽度 与不透明缝宽度 之 和 —— 相邻透明缝中心的距离。 1mm内含几百~几千条线。 光栅的制作 机制光栅:在玻璃片上刻划出一系列平行等距的划痕,刻过的 地方不透光,未刻的地方透光。 ??? 全息光栅:通过全息照相,将激光产生的干涉条纹在干板上曝 光,经显影定影制成全息光栅。 二、光栅衍射条纹 实验装置及衍射图样: f 屏 光栅 透镜 平行光 实验装置及衍射图样: 光栅的衍射是各个单缝的夫琅和费衍射和多缝的干涉的总效果。 光栅的每一条狭缝,都将在屏上形成衍射图样;而各缝发 出的光是相干光,故还会产生缝与缝之间的干涉。 单缝衍射 多缝干涉 光栅的衍射 1. 各个单缝衍射图样 单缝的夫琅和费衍射图样, 不随缝的上下移动而变化。 因为:衍射角相同的光线,会聚在接收屏的相同位置上。 即:N个单缝衍射图样在观察屏上的位置完全重合。 (1)光栅方程 主极大级数 2. 多缝干涉 将光栅上的每一个透光缝视为一个光源,它们是相干的。 相邻两狭缝发出的衍射角为 的两条光线的光程差为: 若此光程 差满足: 则在屏幕上P点是加强的,显然,其它任意相临两缝沿 方向的光程差也等于λ的整数倍,P点也是加强的。故屏幕上P点将得到多光束干涉的干涉极大——明条纹中心。 此式称为光栅方程。 可见明条纹的位置决定于缝间光线干涉的结果。 k=1 k=2 k=0 k=4 k=5 k=-1 k=-2 k=-4 k=-5 k=3 k=-3 k=6 k=-6 缝数 N = 5 时光栅衍射的光强分布图 光栅条纹随着N 增大而变得越来越尖锐明亮 讨论 1. 主极大坐标位置 2. 缺级 主极大明纹位置与单缝衍射暗纹位置重合 单缝衍射振幅曲线 如 则缺级 则缺级 主极大缺级级数 缺级 主极大条件 k = 0, 1, 2, 3,… p 相邻两束光的光程差 3. 斜入射的光栅方程 若 和 在法线的异侧 相邻两束光的光程差 当? = -90°时 当? = 90°时 一束波长为 480 nm 的单色平行光,照射在每毫米内有600条刻痕的平面透射光栅上。 求 (1) 光线垂直入射时,最多能看到第几级光谱? (2) 光线以 30°入射角入射时,最多能看到第几级光谱? 例 解 (1) (2) 能出现的条纹的级次 能出现的条纹的级次 (2) 斜入射时,可得到更高级次的光谱。 (1) 斜入射级次分布不对称。 (3) 垂直入射和斜入射相比,完整级次数不变。 说明 解(1)由光栅衍射主极大公式得 例(练习册59页)波长λ= 600nm的单色光垂直入射在光栅上,测得第二级主极大的衍射角为300,且第三级缺级。求: (1)光栅常数 为多少? (2)透光缝可能的最小宽度 等于多少? (3)在选定了上述 和 之后,求在衍射 角 范围内可能观察到的全部主极大的级次。 (2) 由于第三级缺级,则对应于最小可能的 ,?? 方向应是单缝衍射第一级暗纹: (3) 主极大 (单缝衍射极小) ( k'=1,2,3,......) 因此 k =3,6,9,........缺级. 所以实际呈现 k =0,±1,±2级明纹 (k =±4在 处看不到。) 又因为 例(练习册59页)一衍射光栅,每厘米200条透光缝,每条透光缝宽为a=2×10-3cm,在光栅后放一焦距f=1m的凸透镜,现一λ=600nm的单色平行光垂直照射光栅,求:(1)透光缝a的单缝衍射中央明条纹宽度为多少?(2)该宽度内,有几个光栅衍射主极大? 解(1) 取k=1有 (2) 所以,中央明纹宽度为 取k ?= 2,共有k ?= 0,±1,±2 等5个主极大 有了前面的内容,顺理成章地得到明暗条件极缺级条件 重点:三缝的缝间干涉振幅分布;在此基础上,在考虑单缝衍射 1 用振幅矢量法线讨论多缝干涉的振幅分布特点;主极大间会出现多个暗纹和 次级大 2 再把单缝衍射的振幅变化考虑进去,即振幅矢量的长度随衍射角变化;体现 单缝衍射对主极大明
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