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11 光栅衍射
* 原理:多个同方向同频率谐振动的合成 设: x1 = A0 cos?t x2 = A0 cos(?t+Δφ) x3 = A0 cos(?t + 2Δφ ) x4 = A0 cos(?t + 3Δφ ) … xN = A0cos[?t + (N-1) Δφ] x = x1+ x2+ x3+ …+xN · = Acos(?t+?) ┒ ┒ X A0 补充:多光束干涉简介 * 多个振动矢量合成图示 合振动强度 合振动振幅 · ┒ ┒ X * 多光束干涉 -能使干涉条纹又细又亮 1)当Δφ= 2k π A=NA0 -主极大 设有N个振幅均为A0的相干光源,相邻两束光在相遇处的相位差均为Δφ,可证 2)当 A合=0; I=Imin = 0 -极小 * 说明: 2 两个相邻主极大之间有N-2个次极大; ∵ 两个相邻极小之间还有一个次极大; 3 可证:当N→∞,I次= 视为暗区。 多缝干涉 双光束光强 多光束光强 (4缝) 1 两个相邻主极大之间有N-1个极小; * * * B A C θ θ P θ不同→δm不同→ 缝面所分成的半波带数不同; 暗纹 明纹 复习 单缝衍射 衍射图样的形成与分布, 条纹位置 仅取决于相应的衍射角 暗纹 明纹 理解半波带好半波带的概念。 明纹宽度 中央明纹宽度 * 线宽度与角宽度 B A ? 其它明纹宽度 中央明纹宽度 中央明纹角宽度 中央明纹半角宽度 一级明纹衍射角 其它明纹角宽度 * 11-8 圆孔夫琅和费衍射 光学仪器的分辨率 同理,圆孔衍射第一级暗环 D 是圆孔直径. 1.22修正系数 二 、 爱里斑半径R θ f R 一、圆孔的衍射 圆孔衍射图样: 中央亮斑称为爱里斑 单缝衍射第一级暗环的条件 * -最小分辨角的倒数 λ-入射光波长 D-通光孔径 光学仪器的分辨率η (爱里斑的角半径) ? ? 最小分辨角θR 一个的极大与另一个极小重合 -恰能分辨 D大,λ小,分辨率高 --------- 三.光学仪器的分辨率 瑞利判据准则 * 1990 年发射的哈勃太空望远镜的凹面物镜的直径为2.4m ,最小分辨角 ,在大气层外 615km 高空绕地运行 ,可观察130亿光年远的太空深处, 发现了500 亿个星系 . 哈勃太空望远镜 * 11-9 衍射光栅 刻痕 刻痕宽度为 b, 透光宽度为 a . a b a + b 称为光栅常数 光栅 常数 光栅: 由大量平行等距的狭缝组成 -测波长的元件 一、光栅衍射图样的形成: 透光 每个缝的光都要发生衍射,对确定的衍 射 角θ,各缝形成的干涉图样,条纹位置均相同。 2. 各缝的衍射光都是相干光,相遇时要发生干涉。 ∴光栅衍射= 单缝衍射 +多缝干涉 * 二、光栅方程 讨论 相邻狭缝对应点两光线的相位差 k-主极大级次 光栅方程 1 主极大的位置 定,与N无关。 (主极大方程) 由 2 光栅的衍射条纹的亮锐程度∝N(狭缝数)。 3中央明纹: 最亮 其它明纹对称分布于中央明纹两侧, 由多光束干涉主极大条件 * 光栅衍射=多缝干涉+单缝衍射 * 三、光栅光谱 可知: 若(a+b)一定,则 当复色光入射时,在中央明纹两侧产生按短波长→长波长排列的谱线,称之 光栅光谱。 p 3 2 1 0 1 2 3 - - - 重叠 重叠 光谱重合θ (或x )同 由光栅方程: * 入射光为白光时, 不同, 不同,按波长分开形成光谱. 一级光谱 二级光谱 三级光谱 光栅的衍射光谱图示 * 例1 用白光垂直照射光栅常数 第一级光谱的最小衍射角由紫光决定。 第一级光谱的最大衍射角由红光决定。 ∴第一级光谱的张角 - 一级谱线间的最大距离 光栅,求: 第一级光谱的张角及谱线 间的最大距离?(设透镜焦距为f) 为2.0×10-4cm 的 解:由光栅方程 * 光栅图示 p 一级谱线张角 一级谱线间隔 * 当多缝干涉的主极大位置恰好与 单缝衍射的极小位置相重合时, 该级主极大消失 -缺极。 即当θ角相同时 单缝衍射暗纹 干涉主极大 四 光栅衍射的缺极 * 光栅缺极条件 缺 级 多缝干涉 -3 -2 -1 0 1 2 3 光 栅 衍 射 -3 -2 -1 0 1 2 3 k-光栅缺级级次 k’-单缝极小级次 则±2, ±4, ±6, …主极大缺极 亮度 sin? 单 缝 衍 射
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