高二物理竞赛光栅光谱仪PPT(课件)
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第四章 衍射光栅
§1、 光栅光谱仪
光栅的 1）电矢量的 p 反射分量在入射角等于布儒斯特角时发生突变：
缝间干涉极大的光程差条件
能量几乎全部集中到一个
色分辨本领 选用闪耀角为 的光栅，问当平行光以垂
与 成正比，与 无关。
垂直光栅平面方式入射。
1）瑞利判据： （2）自由光谱范围值：
分析红外波段
附近的一级光谱，决定
Nd cos 垂直光栅平面方式入射。
直槽面方向入射时光栅的刻槽密度应为多少？
选用闪耀角为 的光栅，问当平行光以垂
得： （2）自由光谱范围值：
R kN 此时单元衍射零级极大方向
分析红外波段
附近的一级光谱，决定
求在
的一级光谱附近刚能分辨的最小
k d cos
R kN 3）讨论： 与 垂直光栅平面方式入射。
分析红外波段
附近的一级光谱，决定
垂直光栅平面方式入射。
0
b
的反射方向 色分辨本领
1）电矢量的 p 反射分量在入射角等于布儒斯特角时发生突变：
不能说明两条谱线重叠得是否可以分辨，
垂直光栅平面方式入射。
相邻槽面间的入反射光线 两选，条用谱 闪线耀的角最为小波的长光间栅隔，问之当比平行光以垂
色分辨本领
沿此方向的光程差为： 能量几乎全部集中到一个
（2）除与单元零级衍射极强重叠的干涉主极强 外，其余缝间干涉主极强均缺级。
因为：d a
缺级公式变成：
k m d m m 0
a
能量几乎全部集中到一个 非零级彩色干涉主极强上
形成了强烈的 彩色闪耀光谱
4）平行光垂直槽面入射时
在单元衍射零级极强方向上满足 缝间干涉极大的光程差条件
此时单元衍射零级极大方向 沿垂直槽面方向
nb：：闪槽耀面角法线方向
a
N
：槽面宽度 ：光栅平面法线方向
d ：槽面间隔
且有：d a
两种入射方式：
平行光线以垂直槽面或
垂直光栅平面方式入射。
2）透射光栅的缺点
无色散的零级干涉主极强占有光能的 很大一部分 原因：单元衍射零级极强与缝间干涉零级 主极强重叠 3）闪耀光栅的特点
（1）单元衍射零级极强与某一个非零级 干涉主极强重叠。
两条谱线的最小波长间隔 之比
因为：
L d sin 2 k （2）除与单元零级衍射极强重叠的干涉主极强
k 1 , d sin 2 令: 缝间干涉极大的光程差条件
b
b
kb
1b
满足这个条件的波长 附近的一级光谱被闪耀
6）例题：
分析红外波段10m附近的一级光谱，决定 选用闪耀角为300的光栅，问当平行光以垂
直槽面方向入射时光栅的刻槽密度应为多少？
解： 1b 10m
1 2sinb 10条0 /mm
d
1b
菲涅耳公式
位相关系与半波损失问题
1）电矢量的 p 反射分量在入射角等于布儒斯特角时发生突变：
光疏到光密，由正变负。光密到光疏，由负变正
2）正入射时位相的变化
rp
n2 n1 n2 n1
rs
tp
2n1 n2 n1
ts
n1 < n2
rp
+
rs
-
tp
+
ts
+
n1 > n2 + + +
3）掠射时位相的变化
4）半波损失 由于电矢量的位相在界面上发生突变，好象少 走或多走了半个波长光程，所以成为“半波损失”
反射和折射时的偏振的变化
1）P分量和S分量不一致、反射时的跃变，将会改变入射光的偏振态 2）自然光入射时，反射光和折射光一般是部分偏振光 3）入射光是圆偏振光时，反射光和折射光一般是椭圆偏振光 4）入射光是线偏振光时，反射光和折射光仍然是线偏振光，但偏振方 向可能发生改变
相邻槽面间的入反射光线沿 此方向的光程差为：
L 2d sinb kkb
令: k 1 , 2d sinb 1b 满足这个条件的波长 附近的一级光谱被闪耀
5）平行光垂直光栅平面入射时
在单元衍射零级极强方向上满足
缝间干涉极大的光程差条件
此时单元衍射零级极大方向
沿与入射光夹角 2 在单元衍射零级极强方向上满足
（2）最大待测波长值：
d sin k
2）自由光谱范围
M
d k
d
（1）自由光谱范围定义： 光谱区之间不重叠的光谱范围
（2）自由光谱范围值：
d sin kM (k 1)m m M k /(k 1)
k 1时：m M / 2
自由光谱范围：
M m M / 2 m
闪耀光栅
1）闪耀光栅的结构和光路
5）全反射时，如果入射的是线偏振光，反射光一般是椭圆偏振光
6）无论什么偏振光入射，当以布儒斯特角入射时，反射光都为线偏振 光，偏振态垂直与入射面
在单元衍射零级极强方向上满足
分析红外波段
附近的一级光谱，决定
色散本领只能反映谱线中心分离的程度， （2）自由光谱范围值：
（1）量程的定义：最大待测波长
不能说明两条谱线重叠得是否可以分辨， 1）电矢量的 p 反射分量在入射角等于布儒斯特角时发生突变：
两条谱线的最小波长间隔 之比 在单元衍射零级极强方向上满足
成正比，与 d无关。
4）例题：
一 求个 在宽551050cAm0 的的光一级栅光，谱每附毫近米刚内能有分12辨00的条最狭小缝，
波长差为多少？
解：d (1/1200)mm
，
N 15cm 1200 / mm 18104
R kN 18 104
得：
/
R
0.03
0
A
量程与自由光谱范围
1）量程 （1）量程的定义：最大待测波长
是两谱线刚能分辨的瑞利判据。
2）色分辨本领的定义：
波长与在其附近刚可被分辨的
1）闪耀光栅的结构和光路 两条谱线的最小波长间隔 之比
选用闪耀角为 的光栅，问当平行光以垂
因为：
在单元衍射零级极强方向上满足
此时单元衍射零级极大方向
由 有： 分析红外波段
附近的一级光谱，决定
选用闪耀角为 的光栅，问当平行光以垂
§1、 光栅光谱仪
光栅的 1）电矢量的 p 反射分量在入射角等于布儒斯特角时发生突变：
缝间干涉极大的光程差条件
能量几乎全部集中到一个
色分辨本领 选用闪耀角为 的光栅，问当平行光以垂
与 成正比，与 无关。
垂直光栅平面方式入射。
1）瑞利判据： （2）自由光谱范围值：
分析红外波段
附近的一级光谱，决定
Nd cos 垂直光栅平面方式入射。
直槽面方向入射时光栅的刻槽密度应为多少？
选用闪耀角为 的光栅，问当平行光以垂
得： （2）自由光谱范围值：
R kN 此时单元衍射零级极大方向
分析红外波段
附近的一级光谱，决定
求在
的一级光谱附近刚能分辨的最小
k d cos
R kN 3）讨论： 与 垂直光栅平面方式入射。
分析红外波段
附近的一级光谱，决定
垂直光栅平面方式入射。
0
b
的反射方向 色分辨本领
1）电矢量的 p 反射分量在入射角等于布儒斯特角时发生突变：
不能说明两条谱线重叠得是否可以分辨，
垂直光栅平面方式入射。
相邻槽面间的入反射光线 两选，条用谱 闪线耀的角最为小波的长光间栅隔，问之当比平行光以垂
色分辨本领
沿此方向的光程差为： 能量几乎全部集中到一个
（2）除与单元零级衍射极强重叠的干涉主极强 外，其余缝间干涉主极强均缺级。
因为：d a
缺级公式变成：
k m d m m 0
a
能量几乎全部集中到一个 非零级彩色干涉主极强上
形成了强烈的 彩色闪耀光谱
4）平行光垂直槽面入射时
在单元衍射零级极强方向上满足 缝间干涉极大的光程差条件
此时单元衍射零级极大方向 沿垂直槽面方向
nb：：闪槽耀面角法线方向
a
N
：槽面宽度 ：光栅平面法线方向
d ：槽面间隔
且有：d a
两种入射方式：
平行光线以垂直槽面或
垂直光栅平面方式入射。
2）透射光栅的缺点
无色散的零级干涉主极强占有光能的 很大一部分 原因：单元衍射零级极强与缝间干涉零级 主极强重叠 3）闪耀光栅的特点
（1）单元衍射零级极强与某一个非零级 干涉主极强重叠。
两条谱线的最小波长间隔 之比
因为：
L d sin 2 k （2）除与单元零级衍射极强重叠的干涉主极强
k 1 , d sin 2 令: 缝间干涉极大的光程差条件
b
b
kb
1b
满足这个条件的波长 附近的一级光谱被闪耀
6）例题：
分析红外波段10m附近的一级光谱，决定 选用闪耀角为300的光栅，问当平行光以垂
直槽面方向入射时光栅的刻槽密度应为多少？
解： 1b 10m
1 2sinb 10条0 /mm
d
1b
菲涅耳公式
位相关系与半波损失问题
1）电矢量的 p 反射分量在入射角等于布儒斯特角时发生突变：
光疏到光密，由正变负。光密到光疏，由负变正
2）正入射时位相的变化
rp
n2 n1 n2 n1
rs
tp
2n1 n2 n1
ts
n1 < n2
rp
+
rs
-
tp
+
ts
+
n1 > n2 + + +
3）掠射时位相的变化
4）半波损失 由于电矢量的位相在界面上发生突变，好象少 走或多走了半个波长光程，所以成为“半波损失”
反射和折射时的偏振的变化
1）P分量和S分量不一致、反射时的跃变，将会改变入射光的偏振态 2）自然光入射时，反射光和折射光一般是部分偏振光 3）入射光是圆偏振光时，反射光和折射光一般是椭圆偏振光 4）入射光是线偏振光时，反射光和折射光仍然是线偏振光，但偏振方 向可能发生改变
相邻槽面间的入反射光线沿 此方向的光程差为：
L 2d sinb kkb
令: k 1 , 2d sinb 1b 满足这个条件的波长 附近的一级光谱被闪耀
5）平行光垂直光栅平面入射时
在单元衍射零级极强方向上满足
缝间干涉极大的光程差条件
此时单元衍射零级极大方向
沿与入射光夹角 2 在单元衍射零级极强方向上满足
（2）最大待测波长值：
d sin k
2）自由光谱范围
M
d k
d
（1）自由光谱范围定义： 光谱区之间不重叠的光谱范围
（2）自由光谱范围值：
d sin kM (k 1)m m M k /(k 1)
k 1时：m M / 2
自由光谱范围：
M m M / 2 m
闪耀光栅
1）闪耀光栅的结构和光路
5）全反射时，如果入射的是线偏振光，反射光一般是椭圆偏振光
6）无论什么偏振光入射，当以布儒斯特角入射时，反射光都为线偏振 光，偏振态垂直与入射面
在单元衍射零级极强方向上满足
分析红外波段
附近的一级光谱，决定
色散本领只能反映谱线中心分离的程度， （2）自由光谱范围值：
（1）量程的定义：最大待测波长
不能说明两条谱线重叠得是否可以分辨， 1）电矢量的 p 反射分量在入射角等于布儒斯特角时发生突变：
两条谱线的最小波长间隔 之比 在单元衍射零级极强方向上满足
成正比，与 d无关。
4）例题：
一 求个 在宽551050cAm0 的的光一级栅光，谱每附毫近米刚内能有分12辨00的条最狭小缝，
波长差为多少？
解：d (1/1200)mm
，
N 15cm 1200 / mm 18104
R kN 18 104
得：
/
R
0.03
0
A
量程与自由光谱范围
1）量程 （1）量程的定义：最大待测波长
是两谱线刚能分辨的瑞利判据。
2）色分辨本领的定义：
波长与在其附近刚可被分辨的
1）闪耀光栅的结构和光路 两条谱线的最小波长间隔 之比
选用闪耀角为 的光栅，问当平行光以垂
因为：
在单元衍射零级极强方向上满足
此时单元衍射零级极大方向
由 有： 分析红外波段
附近的一级光谱，决定
选用闪耀角为 的光栅，问当平行光以垂