波动光学2-光的衍射

光在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前进这种偏离直线传播的现象称为光的衍射现象。,光的衍射,缝较大时，光是直线传播的,缝很小时，衍射现象明显,一、光的衍射现象及其分类,11-6光的衍射惠更斯-菲涅耳原理,衍射的分类,菲涅耳衍射,夫琅禾费衍射,光源障碍物接收屏距离为有限远。,光源障碍物接收屏距离为无限远。,衍射系统由光源、衍射屏、接收屏组成。,从同一波阵面上各点所发出的子波，在传播过程中相遇时，也可相互叠加产生干涉现象，空间各点波的强度，由各子波在该点的相干叠加所决定。,二、惠更斯-费涅耳原理,若取时刻t=0波阵面上各点发出的子波初相为零，则面元dS在P点引起的光矢量为：,C-比例常数,K()-倾斜因子,惠更斯-菲涅耳原理解释了波为什么不向后传的问题，这是惠更斯原理所无法解释的。,P点的光振动（惠更斯原理的数学表达）为：,透镜不引起附加的光程差,费马原理：从垂直于平行光的任一平面算起，各平行光线到会聚点的光程相等（即透镜不附加光程差）,光程(S1P)=光程(bP),同理，到双缝前各光线的光程相等。因此，从S1和S2到P点的两条光线的光程差为,用菲涅耳半波带法解释单缝衍射现象,2单缝夫琅禾费衍射,A,B,f,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,衍射角不同，最大光程差也不同，P点的光强分布取决于最大光程差。,菲涅耳半波带法,相邻平面间的距离是入射单色光的半波长,任何两个相邻波带上对应点所发出的光线到达BC平面的光程差均为半波长（即位相差为），在P点会聚时将一一抵消。,A,A,A,B,C,a,x,f,1,2,.,.,.,.,.,P,AB面分成奇数个半波带，出现亮纹,.,.,.,A,A,A,B,C,a,x,f,1,2,2,.,.,.,.,.,A,3,P,.,.,.,AB面分成偶数个半波带，出现暗纹,结论：分成偶数半波带为暗纹。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,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。,讨论,1.光强分布,当角增加时，半波带数增加，未被抵消的半波带面积减少，所以光强变小；,另外，当：,当增加时,为什么光强的极大值迅速衰减？,中央两侧第一暗条纹之间的区域，称做零极（或中央）明条纹，它满足条件：,2.中央亮纹宽度,3.相邻两衍射条纹间距,条纹在接收屏上的位置,暗纹中心,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。,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纹。该衍射图样称为衍射光谱。,由微分式看出缝越窄（a越小），条纹分散的越开，衍射现象越明显；反之,当a大于，又不大很多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,明条纹宽度正比于波长，反比于缝宽.,例题波长546nm的平行光垂直照射在缝宽0.437mm的单缝上，缝后凸透镜的焦距为40cm，求透镜焦平面上衍射中央明纹的宽度。,解,m,13-4光栅衍射,一、光栅衍射现象,衍射光栅：由大量等间距、等宽度的平行狭缝所组成的光学元件。,用于透射光衍射的叫透射光栅。用于反射光衍射的叫反射光栅。,光栅常数：a+b数量级为10-510-6m,(a+b)sin相邻两缝光线的光程差,二、光栅的衍射规律,光栅每个缝形成各自的单缝衍射图样。,光栅衍射条纹是单缝衍射与多缝干涉的总效果。,光栅缝与缝之间形成的多缝干涉图样。,1、光栅公式,任意相邻两缝对应点在衍射角为方向的两衍射光到达P点的光程差为(a+b)sin,光栅公式,光栅干涉明条纹位置满足：(a+b)sin=kk=0,1,2,3,(a+b)sin=kk=0,1,2,3,单色平行光倾斜地射到光栅上,相邻两缝的入射光在入射到光栅前已有光程差(a+b)sin0,(a+b)(sinsin0)=kk=0,1,2,3,光栅衍射是单缝衍射和缝间光线干涉两种效应的叠加，亮纹的位置决定于缝间光线干涉的结果。,缝数N=4时光栅衍射的光强分布图,3、单缝对光强分布的影响,4、缺级现象,asin=k,k=0,1,2,缺极时衍射角同时满足：,(a+b)sin=k,k=0,1,2,即：k=(a+b)/ak,k就是所缺的级次,缺级由于单缝衍射的影响，在应该出现亮纹的地方，不再出现亮纹,缝间光束干涉极大条件,单缝衍射极小条件,k=1,k=2,k=0,k=4,k=5,k=-1,k=-2,k=-4,k=-5,k=3,k=-3,k=6,缺级,k=-6,对应某些值按多光束干涉应出现某个主极大，由于单缝衍射的调制而造成这些主极大缺失缺级现象,例如，a+b=3a，则k=3，6，9，对应的主极大缺级.,多光束干涉主极大,单缝衍射暗纹,满足条件:,例题波长为500nm和520nm的两种单色光同时垂直入射在光栅常数为0.002cm的光栅上，紧靠光栅后用焦距为2m的透镜把光线聚焦在屏幕上。求这两束光的第3级谱线之间的距离。,解,m,例题用钠黄光（=590nm）垂直入射在每毫米刻有500条栅纹的光栅上，最多能看到几级条纹？,解,m,最多能看到3级（7条）衍射条纹.,例题用波长=600nm的单色光垂直照射光栅，观察到第2级和第3级明条纹分别出现在sin=0.20和sin=0.30处，而第4级缺级。试求（1）光栅常数；（2）狭缝宽度；（3）全部条纹的级数。,解,m,m,k=0，1，2，9,k=10对应sin=1故舍去,白光投射在光栅上，在屏上除零级主极大明条纹由各种波长混合仍为白光外，其两侧将形成由紫到红对称排列的彩色光带，即光栅光谱。,三、光栅光谱,圆孔夫琅和费衍射,一、圆孔衍射,第一暗环所围成的中央光斑称为爱里斑,爱里斑半径d对透镜光心的张角称为爱里斑的半角宽度,点光源经过光学仪器的小圆孔后，由于衍射影响，所成的象不是一个点而是一个明暗相间圆形光斑。,二、光学仪器的分辨率,若两物点距离很近，对应的两个爱里斑可能部分重叠而不易分辨,瑞利判据：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，即两个点光源产生艾里斑的距离等于艾里斑半径时，恰能分辨，为光学仪器的分辨率。,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0，等于爱里斑的半角宽度。,D为光学仪器的透光孔径,最小分辨角的倒数称为光学仪器的分辨率,爱里斑半径d对透镜光心的张角称为爱里斑的半角宽度,P125,X射线的衍射,1895年伦琴发现X射线（不带电的粒子流）。劳厄认为X射线是波长很短电磁波，有干涉和衍射现象。,X射线的波长：0.0110nm,X射线衍射-劳厄实验,根据劳厄斑点的分布可算出晶面间距，掌握晶体点阵结构。,晶体可看作三维立体光栅。,布喇格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)对伦琴射线衍射的研究：,光程差:,干涉加强条件（布喇格公式）：,讨论：,1.如果晶格常数已知，可以用来测定X射线的波长，进行伦琴射线的光谱分析。2.如果X射线的波长已知，可以用来测定晶体的晶格常数，进行晶体的结构分析。,符合上述条件时，各层晶面的反射线干涉后将相互加强。,D,选择题,1、光波的衍射现象没有声波显著，这是由于（A）光是电磁波；（B）光速比声速大；（C）光有颜色；（D）光的波长比声波短得多。,明条纹宽度正比于波长，反比于缝宽.,B,2、波长为的单色光垂直入射在缝宽a=4的单缝上，对应于衍射角=30，单缝处的波阵面可划分的半波带的数目为（A）2个；（B）4个；（C