现代光学工程-衍射.ppt
《现代光学工程-衍射.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《现代光学工程-衍射.ppt(61页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、光的衍射衍射定义:衍射定义:光在传播过程中遇到障碍物时发生的偏离原传播方光在传播过程中遇到障碍物时发生的偏离原传播方向而进入障碍物形成的几何阴影内、光强度呈现有向而进入障碍物形成的几何阴影内、光强度呈现有规律的周期规律的周期性变化的现象。性变化的现象。衍射条件:衍射条件:障碍物上透光的孔或缝的线度与光波长可比时。障碍物上透光的孔或缝的线度与光波长可比时。衍射基本元件:衍射基本元件:光源、障碍物、观察屏。光源、障碍物、观察屏。衍射类型:衍射类型:菲涅耳衍射、夫琅和费衍射。菲涅耳衍射、夫琅和费衍射。衍射类型的区分原则:衍射类型的区分原则:光源、障碍物、观察屏三者间的距离。光源、障碍物、观察屏三者间
2、的距离。当三者间距离均为有限或其中任意两者间距离为有限时为菲涅当三者间距离均为有限或其中任意两者间距离为有限时为菲涅耳衍射;当三者的距离均为无限远时为夫琅和费衍射。耳衍射;当三者的距离均为无限远时为夫琅和费衍射。1在欧泊石 的内部,由无数规则的二氧化硅球粒一间隙形成了很多的三维衍射光栅,当光线射入到欧泊石内部时,出现了光线的衍射作用,衍射的角度随波长的变化而变化,从而在不同的角度可见不同的颜色,亦就是所谓的变彩。光的光的衍射:衍射:当光波遇到障碍物时,会偏离几何光学的直线传播而绕行的现象称为光的衍射(diffractionoflight).2衍射的一般特点:衍射的一般特点:1、限制与展宽发散角
3、、波长和限制尺度的关系:32、衍射图样和衍射屏的结构一一对应,结构越细微,相应、衍射图样和衍射屏的结构一一对应,结构越细微,相应的衍射图样越扩大。的衍射图样越扩大。微结构微结构微结构微结构衍射图样衍射图样衍射图样衍射图样DNA的的X光衍射照片光衍射照片 4菲涅耳菲涅耳 (AugustinAugustin-Jean-Jean FresnelFresnel 1788-1827 1788-1827)菲涅耳的科学成就主要有两个方面。一是菲涅耳的科学成就主要有两个方面。一是衍射衍射衍射衍射。他以惠更斯原理和。他以惠更斯原理和干涉原理为基础,用新的定量形式建立了惠更斯干涉原理为基础,用新的定量形式建立了惠
4、更斯-菲涅耳原理,完善了菲涅耳原理,完善了光的衍射理论。另一成就是光的衍射理论。另一成就是偏振偏振偏振偏振。他与。他与D.F.J.阿拉果一起研究了偏振光的阿拉果一起研究了偏振光的干涉,确定了光是横波(干涉,确定了光是横波(1821);他发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象);他发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象(1823),用波动说解释了偏振面的旋转;他推出了反射定律和折射定),用波动说解释了偏振面的旋转;他推出了反射定律和折射定律的定量规律,即菲涅耳公式;解释了马吕斯的反射光偏振现象和双折律的定量规律,即菲涅耳公式;解释了马吕斯的反射光偏振现象和双折射现象,奠定了晶体光学的基础。射现象,奠定了晶体光学
5、的基础。菲涅耳是法国物理学家和铁路工程师。菲涅耳是法国物理学家和铁路工程师。17881788年年5 5月月1010日生于布罗利耶,日生于布罗利耶,18061806年毕业于巴年毕业于巴黎工艺学院,黎工艺学院,18091809年又毕业于巴黎桥梁与公路年又毕业于巴黎桥梁与公路学校。学校。18231823年当选为法国科学院院士,年当选为法国科学院院士,18251825年年被选为英国皇家学会会员。被选为英国皇家学会会员。18271827年年7 7月月1414日因肺日因肺病医治无效而逝世,终年仅病医治无效而逝世,终年仅3939岁。岁。一、一、惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理5惠更斯原理惠更斯原理 光扰动
6、同时到达的空间曲面被称为波面或波前,波前上的每一点都可光扰动同时到达的空间曲面被称为波面或波前,波前上的每一点都可以看成一个新的扰动中心,称为子波源或以看成一个新的扰动中心,称为子波源或次波源次波源,次波源向四周发出次,次波源向四周发出次波;波;下一时刻的波前是这些大量次波面的公切面,或称为包络面下一时刻的波前是这些大量次波面的公切面,或称为包络面;次波;次波中心与其次波面上的那个切点的连线方向给出了该处光传播方向。中心与其次波面上的那个切点的连线方向给出了该处光传播方向。惠更斯原理的不足:惠更斯原理的不足:惠更斯原理的不足:惠更斯原理的不足:没有回答光振幅的传播问题没有回答光振幅的传播问题没
7、有回答光振幅的传播问题没有回答光振幅的传播问题没有回答光相位的传播问题没有回答光相位的传播问题没有回答光相位的传播问题没有回答光相位的传播问题6惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理波前上的每个面元都可以看成次波源,它们向四周发射次波;波场中任波前上的每个面元都可以看成次波源,它们向四周发射次波;波场中任一场点的扰动都是所有次波源所贡献的次级扰动的相干叠加一场点的扰动都是所有次波源所贡献的次级扰动的相干叠加惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯菲涅耳原理的数学表示:菲涅耳原理的数学表示:菲涅耳原理的数学表示:菲涅耳原理的数学表示:PS?=惠更斯的次波概念继承补充和发展提出次波相干叠
8、加的概念统一的衍射分析的理论框架惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳原理光波干涉概念吸取7PSndS0Rr引进一个比例常数,根据分析,惠更斯引进一个比例常数,根据分析,惠更斯菲涅耳原理的数学表达式写成:菲涅耳原理的数学表达式写成:?8基尔霍夫衍射积分公式:基尔霍夫衍射积分公式:基尔霍夫,基尔霍夫,(G.R.Kirchhoff,18241887)德国物理学家。德国物理学家。和和菲涅耳的衍射积分公式的主体结构式相同的,基尔霍夫的新贡献是:菲涅耳的衍射积分公式的主体结构式相同的,基尔霍夫的新贡献是:9*衍射的分类衍射的分类菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射按光源
9、、衍射屏和接受屏三者之间的距离的远近将衍射分为两大类:菲涅耳衍射:菲涅耳衍射:菲涅耳衍射:菲涅耳衍射:光源衍射屏接受屏之间距 离为有限远。夫琅禾费衍射:夫琅禾费衍射:夫琅禾费衍射:夫琅禾费衍射:光源衍射屏接受屏之 间距离为无限远。10夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射夫琅禾费夫琅禾费 (Joseph von(Joseph von FraunhoferFraunhofer 1787 17871826)1826)夫夫琅琅禾禾费费是是德德国国物物理理学学家家。17871787年年3 3月月6 6日日生生于于斯斯特特劳劳宾宾,父父亲亲是是玻玻璃璃工工匠匠,夫夫琅琅禾禾费费幼幼年年当当学学
10、徒徒,后后来来自自学学了了数数学学和和光光学学。18061806年年开开始始在在光光学学作作坊坊当当光光学学机机工工,18181818年年任任经经理理,18231823年年担担任任慕慕尼尼黑黑科科学学院院物物理理陈陈列列馆馆馆馆长长和和慕慕尼尼黑黑大大学学教教授授,慕慕尼尼黑黑科科学学院院院院士士。夫夫琅琅禾禾费费自自学学成成才才,一一生生勤勤奋奋刻刻苦苦,终终身身未婚,未婚,18261826年年6 6月月7 7日因肺结核在慕尼黑逝世。日因肺结核在慕尼黑逝世。夫夫琅琅禾禾费费集集工工艺艺家家和和理理论论家家的的才才干干于于一一身身,把把理理论论与与丰丰富富的的实实践践经经验验结结合合起起来来,
11、对对光光学学和和光光谱谱学学作作出出了了重重要要贡贡献献。18141814年年他他用用自自己己改改进进的的分分光光系系统统,发发现现并并研研究究了了太太阳阳光光谱谱中中的的暗暗线线(现现称称为为夫夫琅琅禾禾费费谱谱线线),利利用用衍衍射射原原理理测测出出了了它它们们的的波波长长。他他设设计计和和制制造造了了消消色色差差透透镜镜,首首创创用用牛牛顿顿环环方方法法检检查查光光学学表表面面加加工工精精度度及及透透镜镜形形状状,对对应应用用光光学学的的发发展展起起了了重重要要的的影影响响。他他所所制制造造的的大大型型折折射射望望远远镜镜等等光光学学仪仪器器负负有有盛盛名名。他他发发表表了了平平行行光光
12、单单缝缝及及多多缝缝衍衍射射的的研研究究成成果果(后后人人称称之之为为夫夫琅琅禾禾费费衍衍射射),做做了了光光谱谱分分辨辨率率的的实实验验,第第一一个个定定量量地研究了衍射光栅,用其测量了光的波长,以后又给出了光栅方程。地研究了衍射光栅,用其测量了光的波长,以后又给出了光栅方程。11 实验装置如上图,在透镜的后焦面接受夫琅禾费衍射场,中心为实验装置如上图,在透镜的后焦面接受夫琅禾费衍射场,中心为亮斑,并且亮度大于两侧的亮条纹,中心亮条纹宽度是两侧的二倍,亮斑,并且亮度大于两侧的亮条纹,中心亮条纹宽度是两侧的二倍,亮斑的宽度随狭缝的变窄而展宽。亮斑的宽度随狭缝的变窄而展宽。夫琅禾费单缝衍射实验装
13、置和现象夫琅禾费单缝衍射实验装置和现象12用菲涅耳半波带法解释单缝衍射现象用菲涅耳半波带法解释单缝衍射现象S*单缝衍射实验装置单缝衍射实验装置屏幕屏幕13ABfxC 将衍射光束分成一组一组的平行光,每组平行光的将衍射光束分成一组一组的平行光,每组平行光的衍射角(与原入射方向的夹角)相同衍射角(与原入射方向的夹角)相同P衍射角不同,衍射角不同,最大光程差也最大光程差也不同,不同,P点位置点位置不同不同,光的强,光的强度分布取决于度分布取决于最大光程差最大光程差142 222a sin 任何两个相邻波带上对任何两个相邻波带上对应点所发出的光线到达应点所发出的光线到达BC平面的光程差均为半平面的光程
14、差均为半波长(即位相差为波长(即位相差为),在,在P点会聚时将一一点会聚时将一一抵消。抵消。相邻平面间的距离是相邻平面间的距离是入射单色光的半波长入射单色光的半波长菲涅耳半波带法菲涅耳半波带法15AAABCaxf12222.PAB面面分成分成奇数个半波带奇数个半波带,出现,出现亮纹亮纹.16.AAABCaxf122.A3P.AB面面分成分成偶数个半波带偶数个半波带,出现,出现暗纹暗纹17结论结论:分成偶数半波带为暗纹。:分成偶数半波带为暗纹。分成奇数半波带为明纹。分成奇数半波带为明纹。正、负号表示衍射条纹对称分布于中央明纹的两侧正、负号表示衍射条纹对称分布于中央明纹的两侧对于任意衍射角,单缝不
15、能分成整数个半波带,对于任意衍射角,单缝不能分成整数个半波带,在屏幕上光强介于最明与最暗之间。在屏幕上光强介于最明与最暗之间。18讨论讨论1.光强分布光强分布 当当 角增加时,半波带数增加,未被抵消的半角增加时,半波带数增加,未被抵消的半波带面积减少,所以光强变小;波带面积减少,所以光强变小;当当 增加时增加时,为什么光强的为什么光强的极大值迅速衰减?极大值迅速衰减?19中央两侧第一暗条纹之间的区域,中央两侧第一暗条纹之间的区域,称做零极称做零极(或中央)明条纹,(或中央)明条纹,它满足条件:它满足条件:2.中央亮纹宽度中央亮纹宽度20axf 0213.相邻两衍射条纹间距相邻两衍射条纹间距条纹
16、在接收条纹在接收屏上的位置屏上的位置暗纹中心暗纹中心明纹中心明纹中心其它各级明条纹的宽度为中央明条纹宽度的一半。其它各级明条纹的宽度为中央明条纹宽度的一半。22条纹在屏幕上的位置与波长成正比,如果用白光条纹在屏幕上的位置与波长成正比,如果用白光做光源,中央为白色明条纹,其两侧各级都为彩色条做光源,中央为白色明条纹,其两侧各级都为彩色条纹。该衍射图样称为纹。该衍射图样称为衍射光谱衍射光谱。由微分式由微分式看出缝越窄(看出缝越窄(a越小),条纹越小),条纹分散的越开,衍射现象越明显;反之,条纹向中央靠拢。分散的越开,衍射现象越明显;反之,条纹向中央靠拢。当当a大于大于,又不大很多,又不大很多时会出
17、现明显的衍射现象。时会出现明显的衍射现象。当缝宽比波长大很多时,形成单一的明条纹,这就是当缝宽比波长大很多时,形成单一的明条纹,这就是透镜所形成线光源的象。显示了光的直线传播的性质。透镜所形成线光源的象。显示了光的直线传播的性质。明纹中心明纹中心23 夫琅禾费方孔衍射夫琅禾费方孔衍射夫琅禾费方孔衍射夫琅禾费方孔衍射y0 x0 xyPf21L0ba24 夫琅禾费方孔衍射的主要特点夫琅禾费方孔衍射的主要特点夫琅禾费方孔衍射的主要特点夫琅禾费方孔衍射的主要特点ba25 夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射夫琅禾费圆孔衍射y0 x0 xyPfL026第一暗环所围成的中央光斑称为第一暗环所围
18、成的中央光斑称为艾艾里斑里斑相相对对光光强曲线强曲线1.22(/D)sin 1I/I00爱里斑爱里斑27光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领分分辨辨本本领领是是一一个个复复杂杂的的问问题题,它它涉涉及及到到几几何何光光学学系系统统的的种种种种像像差差和和缺缺欠欠,涉涉及及到到被被分分辨辨物物点点的的亮亮度度和和其其他他一一些些性性质质。我我们们现现在在考考虑虑理理想想的的分分辨辨本本领领,即即两两个个亮亮度度相相同同、波波长长相相等等的的独独立立光光源源经经过过光光学学系系统统所所能能达达到到的的最最佳分辨本领,也就是光学仪器的分辨本领的衍射极限佳分辨本领,也就是光学仪器的分辨本领的衍射极限。
19、28几何光学几何光学:物物点点 像点像点物物(物点集合物点集合)像像(像像点集合点集合)波动光学波动光学:物点物点像像斑斑物物(物点集合物点集合)像像(像像斑集合斑集合)(经透镜经透镜)(经透镜经透镜)瑞利判据瑞利判据瑞利判据瑞利判据:两个物点反应在像面上有两个艾里斑,设两物点的夹角或两艾里斑两个物点反应在像面上有两个艾里斑,设两物点的夹角或两艾里斑中心的夹角为中心的夹角为,每个艾里斑自身的半角宽度为,每个艾里斑自身的半角宽度为0,瑞利判据是:,瑞利判据是:当当0时,可分辨;时,可分辨;当当0时,不可分辨;时,不可分辨;当当=0时,给出时,给出可分辨的最小角度可分辨的最小角度-m29瑞利判据瑞
20、利判据:如果一个点光源的衍射图象的中央最亮处如果一个点光源的衍射图象的中央最亮处刚好与另一个点光源的衍射图象第一个最暗处相重合,刚好与另一个点光源的衍射图象第一个最暗处相重合,认为这两个点光源恰好能为这一光学仪器所分辨。认为这两个点光源恰好能为这一光学仪器所分辨。恰恰能能分分辨辨能能分分辨辨不不能能分分辨辨30s1s2 0 0D*在恰能分辨时,两个点光源在透镜前所张的角度,在恰能分辨时,两个点光源在透镜前所张的角度,称为最小分辨角称为最小分辨角 0,等于,等于艾艾里斑的半角宽度里斑的半角宽度。D为为光学仪器的透光孔径光学仪器的透光孔径最小分辨角的倒数最小分辨角的倒数称为光学仪器的称为光学仪器的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 现代 光学 工程 衍射
限制150内