第13章 光的衍射

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第十三章 光的衍射
§13-1 光的衍射 §13-2 单缝夫琅和费衍射 §13-3 衍射光栅
§13-4 圆孔衍射 分辩率
§13-5* X射线的衍射
1
§13-1 光的衍射 惠更斯-菲涅耳原理
一、光的衍射现象
光在传播中遇到障碍物,使波面受到限制时,能够绕
过障碍物继续前进,且在障碍物背后的几何阴影区光强重
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二、光栅衍射
光栅衍射:夫朗禾费单缝衍射与多缝干涉的总效果。 1、多缝干涉:多光束干涉问题
透镜L
P
d sin
d

O
焦距 f 衍射屏 观察屏

干涉主极大:所有光束均相干相长
d sin (a b)sin k
光栅公式
20
任意两光束均满足相干相长的条件。
光栅公式 主极大名称:
n 可以证明暗纹满足: (a b)sin ( k ) N
双缝 三缝 五缝 20缝
22
3、单缝衍射
a sin 0 中央明纹
( 2k 1) a sin 2 k
明纹 暗纹
单缝衍射各级明纹重叠:上下平移单缝不改变条纹 位置。
I -1级
0级
1级 单缝衍 射光强
平行衍射光的方向:衍射角
平行衍射光:相同衍射角的平行光束
如何确定?
平行衍射光在焦平面上相干汇聚,多光线干涉,无法 利用光的干涉理论(光程差来定量确定干涉现象)。
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二、半波带理论分析衍射条件
1、显然,对于=0的一束,其中每条光线的光程都相等, 因而叠加结果相互加强,即为中央亮纹。 2、半波带分析其他各级干涉条纹: 1)最大光程差:考虑任意 一束平行衍射光,作AC⊥BC, 则BC段即为这一束平行光的最 大光程差。
3级
2红 3紫
2红 3max
3紫 2min
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k 2 : [min ,760nm] k 3 : [390nm, max ]
四、斜入射时的光栅公式
L d sin
P
dsin




O

dsin
dsin
焦距f 图a
dsin dsin
图b
线宽:中央明纹线宽的一半 xk f tan k 1 f tan k f sin k 1 f sin k
f ( 2k 3) ( 2k 1) f f 2 a 2 a a
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三、单缝衍射的讨论
1、条纹疏密程度(宽度)的讨论
x0 2 f
子波假设:波阵面上的每一点都可看成是发射子波的新 波源,任意时刻子波的包迹即为新的波阵面。
------------惠更斯1690年
t 时刻波面
t+t时刻波面
波传播方向
能解释光波的传播
的衍射。
解释光波绕过障碍物
不能说明在不同方向上波的强度分布,不能完全解释光
4
子波满足相干条件:从同一波阵面上各点发出的子波,满
新分布的现象。
光源
a
S
单缝
屏幕
b
绕过障碍物;强度分布也不均匀
2
衍射是否显著取决于障碍物尺寸与波长的关系
a
光源
a b
单缝 屏幕
光源
S
S
单缝
屏幕
b
缝的宽度远大于光的 波长,衍射不明显, 直线传播的几何光学 可以解释。
缝的宽度接近光的波 长,衍射现象显著, 几何光学无法解释。 如何解释呢?
3
二、惠更斯-菲涅耳原理
答:选(D)
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§13-2 单缝夫琅禾费衍射
一、装置和现象
D
f
光源 透镜 单缝
D f
屏 幕
中央 明纹
夫朗禾费单缝衍射图样是一组与狭缝平行的明暗相间
的条纹,其中中央条纹最亮最宽,其它各级明纹随级数升
高,亮度逐渐变暗。
10
夫朗禾费单缝衍射:平行衍射光的干涉
衍射光
1 1 1
会是明纹么? 可以确定 是明纹 会是明纹么?
a b
a
k k
故当d=(a+b)与a有简单整数比时,将看到缺级现象。
ab 所缺级次为: k k a
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I单 单缝衍射光强曲线 I0 单 N=4, d=4a sin -2 -1 N2
0
1
I/I0
Fra Baidu bibliotek
2
(/a)
多缝干涉光强曲线
sin -8 -4
0
I
4 N2I0单
单缝衍射 轮廓线
2、爱里斑的半角宽度
D

d
半角宽度:指爱里斑对透镜中心张角的一半角宽度。式 中D为圆孔的直径,大多数情况亦为透镜的直径。
理论结果: sin 1.22

D d 2f

a
30
圆孔衍射中央爱里斑半角宽: 1.22
单缝衍射中央明纹半角宽:

D
说明:二者除在反映障碍物几何形状的系数不同以外, 其在定性方面是一致的。
衍射系统一般由光源、衍射屏、接收屏组成,通常按三者 的相对位置将衍射分为两大类: 菲涅耳衍射 夫琅禾费衍射
光源 衍射屏 接收屏
光源 衍射屏 接收屏
衍射屏、光源和接收屏之间 衍射屏与光源和接收屏三 (或二者之一)均为有限远。 者之间均为无限远。
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例 根据惠更斯-菲涅耳原理,若已知光在某时刻的波阵面 为S,则S的前方某点P的光强度决定于波阵面S上所有面积 元发出的子波各自传到P点的 (A) 振动振幅之和 (B) 光强之和 (C) 振动振幅之和的平方 (D) 振动的相干叠加
(a b) sin k
k=0:零级主极大; k=1,2,3,...:正负第k级主极大。 主极大位置:
k x k f tan f sin f ab ( k 1) k f x k x k 1 x k f f ab ab ab
I
-3级
0
3级
衍射光相干叠加
单缝衍射调制光强
单缝衍射只影响各主极大的强度分布,但不改变主极 大、极小的位置。
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4、缺级现象
在同一衍射角中,既满足单缝衍射极小,又满足光 栅干涉主极大时,将会出现缺级:
多缝干涉主极大位置为: (a b) sin k
单缝衍射的暗纹位置为: a sin k 联立上述方程,可得:
足相干条件,是相干波; 子波相干叠加:子波传播到空间某一点时,各子波在该点 的相干叠加而产生干涉现象。 ------------菲涅耳1818年
惠更斯——菲涅尔原理:子波与子波的相干叠加
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惠更斯-菲涅耳原理的数学表述: S 波面 ds 面元 面元发出的子波在P点引起的振动为:
dE dE0 cos[(t 2 r ) 0 ]
B
2

2 2
C
a sin
故在给定的衍射角中: BC a sin
若BC刚好截成: 偶数个半波带 奇数个半波带
不为半波长的整数倍
相消干涉:暗纹 相长干涉:亮纹 亮度:暗纹和亮纹之间
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思考:若BC刚好截成4.7个半波带或者3.7个半波带, 这时P点哪个更亮一些?
4) 衍射图样中明、暗纹公式
总光程差为: d sin sin 法线同侧(图a),取加号;法线异侧(图b)取减号。 斜入射的光栅公式为: d sin sin k 注:斜入射可以获得更高级次的条纹。
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例 一束单色光垂直入射在光栅上,衍射光谱中共出现5条明 纹,若已知此光栅缝宽与不透明部分宽度相等,那么在中央 明纹一侧的两条明纹分别是第 级和第 级谱线。 解:∵a=b,故有缺级:

说明: (1)P点的振动为无限多个振动源相干叠加的结果,所 以变成了一个无限多光束的干涉问题。 ( 2 )原则上,菲涅尔公式可以讨论一般衍射问题。但 只对某些简单情况才能精确求解。
( 3 )由于直接积分很复杂,所以常常利用“半波带法”
(代数加法)和“振幅矢量加法”(图解法)。
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三、菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射
a
x k f

a
x

a
缝越窄,衍射条纹间距越大,衍射越显著。 当白光入射时,中央明纹仍为白色,其他各级由紫至红, 一般第2、3级即开始重叠。
-3级 -2级
-1级
0级
1级
2级
3级
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2、条纹明暗程度(光强)的讨论 若角越大,则BC越长,因而半波带数目越多,而缝 宽AB=a为常数,因而每个半波带的面积要减少(即每个 半波带上携带的光能量减少),于是级数越高,明纹亮 度越低,最后成模糊一片。
A
a

B

C a sin
BC a sin
2)半波带:将单缝视为对应半个波长的最大光程差 的多个缝组合而成
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3)半波带方法解释衍射 半波带的面积相等,各波带上的
A
子波源的数目也相等。且每相邻 半波带 波带的衍射光,光程差刚好等于 半波带 半个波长,位相差为,相干相消, 半波带 相互抵消。
n

r
P
菲涅耳假设: 振幅

正比于面元面积:dE0 ds 1 反比于距离:dE 0 r 随角的增大而单调减小:dE0 K ( )
6
K ( ) 单调递减函数,且 90 : K ( ) 0 无倒退子波。
所有面元发出的次波在P点的相干叠加为:
k ( ) r E C E0 cos(t 2 0 ) ds r S
主极大条纹等间距分布,且主极大位置与缝数N无关。 主极大光强:
AP

i
Ai NA
I p N 2 I0
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叠加后的明纹亮度为原来每缝光强的N2倍。
2、暗纹条件
说明:在两主极大之间有(N-1)个干涉极小,因此缝数 N越多,两亮纹间的次极小越多,而主极大的中心位置 不变,因此亮纹更加细、窄,且明纹更加明亮。 单缝
二、光学仪器的分辩本领
1、圆孔衍射对成象质量的影响 几何光学:一个物点对应一个像点。 波动光学:一个物点对应一个爱里斑。 因此,当两个物点的爱里斑重叠到一定程度时,这两 个物点在底片上将不能区分,故爱里斑的存在就引发了一 个光学仪器的分辨率问题。 光学仪器的分辨率问题: S1 S2
由 a sin k ,
(a b ) sin k
k 2 k
a b
a
故 k 2k 时缺级: k/=1,则k=2,即第二级缺级 故应为第1级和第3级谱线。
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§13-4 圆孔衍射 光学仪器的分辨率
一、夫琅和费圆孔衍射
1、装置与现象
I
r 艾里斑:夫琅和费圆孔衍射中,中央为亮圆斑,即第一暗 环所包围的中央圆斑。 29 艾里斑光强:其占总入射光强的80%以上。
( 2k 1) 2 a sin 0 2k 2
亮纹 中央明纹 暗纹
三、单缝衍射条纹特点
1)条纹宽度
几个概念的说明: 角 宽 度:条纹对透镜中心的张角。 半角宽度:条纹对透镜中心的张角的一半。 线 宽 度:明(暗)纹宽度是相邻两个暗(明)纹中 心的距离。
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中央明纹: 第一级暗纹条件: a sin
I
a sin 3
2

0

2
3
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例 在夫琅禾费单缝衍射实验中: (A)单缝所在处的波面所分得的波带数主要取决于衍射角; (B)越大,则分得的波带数越多; (C)波带数越多,则明条纹的亮度越小; (D)明条纹的亮度是由所有波带发出的子波经透镜汇聚干涉 加强的结果。 答:全部对。 例 在如图所示的单缝夫琅禾费衍射装置中,将单缝宽度a 稍梢变宽,同时使单缝沿y轴正方向作微小平移(透镜屏幕位 置不动),则屏幕C上的中央衍射条纹将 C L (A) 变窄,同时向上移; (B) 变窄,同时向下移; a (C) 变窄,不移动; f y (D) 变宽,同时向上移; x O (E) 变宽,不移. 18 答:选(C)。
半角宽: 0 sin

a
角宽度: 2 0 2 sin 2

a
k k 1

a
线宽度: x0 2 x1 2 f tan 2 f sin 2 f
其他各级条纹: 角宽:中央明纹角宽的一半
( 2k 3) ( 2k 1) k k 1 k sin k 1 sin k 2 a 2 a a
§13-3 光 栅 衍 射 一、光栅
1、光栅: 狭义:平行,等宽,等间隔的狭缝 广义:任何具有空间周期性的衍射屏。 2、分类: 透射光栅,反射光栅。
透射光栅
d
反射光栅
d
a
b
3、光栅常数:指缝宽a和缝间距b之和,可记为d=(a+b)。 光栅常数的数量级通常在10-5-10-6m, 即105-106条/m。
8 (/d)
光栅衍射光强曲线
-8
-4
0
4
sin 8 (/d) 25
三、衍射光谱
当白光入射时: (a b) sin k 1)除0级主极大外,其他各级主极大的位置将错开。 2)短波的靠近中央一点;长波的远离中央一点。 3)错开的距离随级次的增高而增大。
-3级 -2级
-1级
0级
1级
2级
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