高等物理光学-5-0-光的衍射与成像0.ppt

1.1 光的衍射的现象 一、衍射现象 波的衍射：当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍射。 索末菲（A. Sommerfeld）的定义：“不能用反射，折射来解释的光线对直线光路的任何偏离。” 衍射：是光传播过程中的一个基本现象，对干涉、衍射与偏振等现象的研究，构成了波动光学的核心。 光的衍射 在日常生活中，光的衍射现象不易为人们所察觉，与此相反，光的直线传播行为给人们的印象却很深。 这是由于光的波长很短，以及普通光源是不相干的面光源。这两方面的原因使得在通常条件下，光的衍射现象很不显著。 在满足一定条件时，（采用高亮度的相干光或强点光源，并保证屏幕的距离足够大）可演示出衍射现象。 衍射不仅使物体的几何阴影失去了清晰的轮廓，而且在边缘附近还出现一系列的明暗相间的条纹。 光的衍射 这些现象表明，衍射不简单是偏离直线传播的问题，还与某种复杂的干涉效应有联系。 从实验上看：衍射现象有如下特点： 1、光束在衍射屏上的什么方位受到限制，则接收屏幕上的衍射图样就沿该方向扩展； 2、光孔线度越小，对光束限制越厉害，则衍射图样的扩展越强，即衍射效应越强。 3、光的衍射与光的波长有关。 光的衍射 二、衍射理论： 光的衍射是光的波动性的主要标志之一，1818年，菲涅尔最早成动地用波动光学原理解释了衍射现象，发展惠更斯原理为惠更斯－菲涅尔原理。 1818年，法国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，年青的菲涅耳取得了优胜，开始了波动说的兴旺时期。 光的衍射 三、衍射问题： 衍射现象中包含了三项基本要素 1、由光源S发出的光波。其性质可以用光波的波长、波面形状、复振幅分布等参量定量描述。 2、衍射物（屏），若是二维“屏”状，其性质可由屏的（复）振幅透射系数分布描述。 3、观察屏上的“衍射图形”，用电场的复振幅分布描述衍射问题： 已知上述两项时，求第三项，中心是建立上三项要素之间的定量关系。 光的衍射现象 惠更斯—菲涅耳原理 2.2 菲涅耳半波带 2.3 菲涅耳衍射（园孔和园屏） 3.1 夫琅和费单缝衍射 3.2 夫琅和费园孔衍射 3.3 平面衍射光栅 3.4 晶体对 X 射线的衍射 P P0 L2 4、暗条纹间是等间距的。 5、次最大值间（次亮条纹中点间距）是不等间距的，不过随级次的增大现时逐 惭趋于等间距。 6、若以白光入射，除中央条纹仍为白色外，其它各级亮条纹均为彩色；随衍射 级次的增大，可能发生重叠。 P0 7、 8、 b狭缝宽 9、衍射花样与缝在垂直于透镜 L的光轴方向上的位置无关。 ∵ 衍射角相同的光线，会聚在接收屏的相同位置上。 ∴ 单缝的夫琅和费衍射花样，不随缝的上下移动而变化。 P0 b ? L P0 b ? L 缝平移 一、实验装置 如图示： 二、衍射花样 1、花样形状： 明暗相间的同心园环且中心为很亮的亮斑。 2、光强公式： 接收屏 障碍物 光源 半径R θ P 3、花样特点 D：光强分布图： 1.116 0.610 1.619 1 0.0175 0.0042 0.0016 爱里斑 E：爱里斑： 第一级暗环所包围的部分为中央亮斑，称为爱里斑，其上光强点总入射光强的84%。 三、应用 星点法检测透镜质量。 一、衍射光栅 1、定义：任何具有空间周期性，且能等宽、等间距地分 割波阵面的衍射屏。 如：在不透明的光屏上开出平行、等宽、等间距的多条缝。 2、分类： 在透明的屏上刻有大量相互平行而又等宽、等间距的刻痕，其刻痕是不透光部分。 用单色激光的双光束干涉图样刻划的多狭缝组成的光栅 在光洁度很高的金属屏上刻有大量相互平行而又等宽、等间距的刻痕，其未刻部分的反射光形成衍射。 在球面反射镜上沿弦刻划出间距、等宽的许多平行直刻痕。 主要研究透射式平面衍射光栅。 二、实验装置 d=a+b称为光栅常数，其数量级约10-6 米 A a b ? P P0 ? f2’ L1 L2 S S为垂直纸面的缝光源，A为平面衍射光栅。透光部分宽为a，不透光部分宽为b。总缝数为N。 三、表观现象及定性解释 1、现象 A、与单缝衍射相比，出现了一系列新的最大值和最小值；其中，强度 较大的亮线称为主最大，较小的称为次最大。 B、主最大位置与N无关，但宽度随N的增大而变窄，强度正比于N2； C、相邻主最大间有（N-1）个最小值、（N-2）个次最大； d a b θ θ θ 如右图示：相邻两缝上任一对应点到观察点P的 2、讨论： ① ② 为多缝干涉光强分布函数，来源于多缝隙干涉，决定各个主最大的位置。称为缝间干涉因子。 ③ 光栅衍射的光强是单缝衍射因子和缝间干涉因子的乘积。 光栅衍射过程是由单缝衍射过程和多缝干涉过程组成的。 故也称为单缝衍射和多缝干涉的合效应。