
大学物理光的衍射.ppt
65页光的衍射光的衍射2、理解、理解用用波带法波带法分析单缝的分析单缝的夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射条纹分布条纹分布规律,会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响规律,会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响. 光的衍射光的衍射教学基本要求教学基本要求1、了解、了解惠更斯-菲涅耳原理惠更斯-菲涅耳原理及对光的衍射现象的及对光的衍射现象的定性解释定性解释.3、理解、理解光栅衍射光栅衍射公式公式 , , 会确定光栅衍射谱线的位置,会确定光栅衍射谱线的位置,会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的影响会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的影响.4、了解、了解衍射对光学仪器分辨率的影响衍射对光学仪器分辨率的影响. 5、了解、了解 x 射线的衍射现象和布拉格公式的物理意义射线的衍射现象和布拉格公式的物理意义.光的衍射 光的衍射光的衍射§1 §1 光的衍射和惠更斯光的衍射和惠更斯——菲涅耳原理菲涅耳原理一、光的衍射一、光的衍射1 1、波的衍射、波的衍射 波波在在传传播播过过程程中中, ,绕绕过过障障碍碍物物的的边边缘缘而而偏偏离离直直线线传播的现象传播的现象, ,称为波的衍射现象。
称为波的衍射现象2 2、光的衍射、光的衍射 光光偏偏离离了了直直线线传传播播而而绕绕过过了了障障碍碍物物进进入入几几何何阴阴影影,,并引起屏上光强不均匀分布现象并引起屏上光强不均匀分布现象 光的衍射衍射花样:光强不均衍射花样:光强不均匀分布的图样匀分布的图样*S衍射屏衍射屏观察屏观察屏a 小孔衍射小孔衍射 *S衍射屏衍射屏观察屏观察屏L L单缝衍射单缝衍射光的衍射缝较大时,光是直线传播的缝较大时,光是直线传播的缝很小时,衍射现象明显缝很小时,衍射现象明显阴阴影影屏幕屏幕屏幕屏幕 3 3、、 衍射出现的条件衍射出现的条件当当障碍物的线度与波长能比拟时障碍物的线度与波长能比拟时才出现衍射现象才出现衍射现象光的衍射1 1、惠更斯原理的不足、惠更斯原理的不足((1 1)不能解释衍射中光强的分布)不能解释衍射中光强的分布((2 2)没有涉及波动的时空周期性)没有涉及波动的时空周期性————波长、相位、振幅等波长、相位、振幅等((3 3)会出现实际不存在)会出现实际不存在““倒退波倒退波””问题问题 二、二、 惠更斯惠更斯——菲涅耳原理菲涅耳原理光的衍射 波波在在传传播播过过程程中中,,波波阵阵面面上上任任何何一一点点都都是是子子波波的的波波源源,,各各子子波波在在空空间间某某点点的的相相干干叠叠加加,,就就决决定定了了该该点点波波的强度。
的强度··pdE(p)rQdS S惠更斯惠更斯菲涅耳菲涅耳2、内容、内容光的衍射菲涅耳衍射菲涅耳衍射 菲涅耳衍射是指当光源和观察屏、或两者之一离障碍菲涅耳衍射是指当光源和观察屏、或两者之一离障碍物(衍射屏)的距离为有限远时,所发生的衍射现象物(衍射屏)的距离为有限远时,所发生的衍射现象 观察屏观察屏光源光源 ··衍射屏衍射屏1 1、、 菲涅耳衍射(近场衍射)菲涅耳衍射(近场衍射)三、衍射的分类三、衍射的分类光的衍射 夫琅和费衍射夫琅和费衍射 夫琅和费衍射指光源和观察屏离障碍物的距离均为夫琅和费衍射指光源和观察屏离障碍物的距离均为无限远时,所发生的衍射现象无限远时,所发生的衍射现象 P P* *S S··p p衍射屏衍射屏观察观察屏屏光源光源2 2 、夫琅和费衍射(远场衍射、平行光衍射)、夫琅和费衍射(远场衍射、平行光衍射)光的衍射§§2 2 夫琅和费单缝衍射夫琅和费单缝衍射一、实验装置及现象一、实验装置及现象*S f f a 透镜透镜L1透镜透镜L2pB缝平面缝平面观察屏观察屏0δδA : : 衍射角衍射角缝宽缝宽aAB = =光的衍射—— —— 中央明纹中央明纹( (中心中心) ) 单缝的两条边缘光束单缝的两条边缘光束 A A→→P P 和和B B→→P P 的光程差,的光程差,可由图示的几何关系得到:可由图示的几何关系得到:*S f f a ·pAB0δδ二、定量分析二、定量分析——菲涅耳半波带法菲涅耳半波带法光的衍射aθθ1′′2BA半波带半波带半波带半波带12′′ 两相邻半波带上对应点发的光在两相邻半波带上对应点发的光在P P 处干涉相消。
处干涉相消λλ/2/2半波带半波带半波带半波带121′′2′′ 当当 时,可将缝分为两个时,可将缝分为两个““半波带半波带””1.1.菲涅耳半波带法菲涅耳半波带法 在波阵面上截取一个条状带,使它上下两边缘发在波阵面上截取一个条状带,使它上下两边缘发的光在屏上的光在屏上p p处的光程差为处的光程差为 ,此带称为半波带此带称为半波带λλ/2/2光的衍射•当当 时时, ,可将缝分成三个可将缝分成三个““半波带半波带””P P 处为明纹中心处为明纹中心aλ/2λ/2θθBA•当当 时时, ,可将缝分成四个可将缝分成四个““半波带半波带””aBAθθλ/2λ/2P P 处干涉相消形成暗纹处干涉相消形成暗纹光的衍射————暗纹暗纹( (中心中心) )————明纹明纹( (中心中心) ) ————中央明纹中央明纹( (中心中心) )2. 2. 明暗纹条件明暗纹条件由半波带法可得由半波带法可得明暗纹条件为:明暗纹条件为:光的衍射3. .衍射图样衍射图样衍射图样中各级条纹的相对光强如图所示衍射图样中各级条纹的相对光强如图所示. . /a-( /a)2( /a)-2( /a)0.0470.017 1I / I0 0相对光强曲线相对光强曲线0.0470.017sin 中央极大值对应的明条纹称中央极大值对应的明条纹称 中央明纹中央明纹。
中央极大值两侧的其他明条纹称中央极大值两侧的其他明条纹称 次极大次极大中央极大值两侧的各极小值称中央极大值两侧的各极小值称暗纹暗纹光的衍射讨论讨论 ((1)) 光强分布光强分布当当θθ增加时增加时, ,为什么为什么光强的极大值迅速衰光强的极大值迅速衰减?减? /a-( /a)2( /a)-2( /a)0.0470.017 1I / I0 0相对光强曲线相对光强曲线0.0470.017sin ((1 1)衍射级次越高,分成的半波带越)衍射级次越高,分成的半波带越多,未被抵消的波带面积占整个单缝多,未被抵消的波带面积占整个单缝面积的百分比越小,故光强越弱面积的百分比越小,故光强越弱2 2)倾斜因子的作用倾斜因子的作用aλ/2λ/2θθBA光的衍射((2))明纹宽度明纹宽度λλΔΔxI0x1x2衍射屏衍射屏透镜透镜观测屏观测屏ΔΔx0 f 1A. 中央明纹中央明纹得:中央明纹的得:中央明纹的半角宽度半角宽度第第1 级暗纹对应的级暗纹对应的衍射角衍射角光的衍射角宽度为角宽度为线宽度为线宽度为λλΔΔxI0x1x2衍射屏衍射屏透镜透镜观测屏观测屏ΔΔx0 f 1B. 次极大次极大 前提仍然是前提仍然是 很小很小光的衍射((3)) 缝宽变化对条纹的影响缝宽变化对条纹的影响光的衍射((3)) 缝宽变化对条纹的影响缝宽变化对条纹的影响知,缝宽越小,条纹宽度越宽知,缝宽越小,条纹宽度越宽,此时屏幕呈一片,此时屏幕呈一片““明亮明亮””;;I0sin∴∴几何光学是波动光学在几何光学是波动光学在 /a0时的极限情形时的极限情形 此时屏幕上此时屏幕上只显出单只显出单一的明条纹一的明条纹 单缝的几何光学像。
单缝的几何光学像由由 光的衍射((4)) 波长对条纹宽度的影响波长对条纹宽度的影响 光的衍射((4)) 波长对条纹宽度的影响波长对条纹宽度的影响 仍由仍由 知知波长越长,条纹宽度越宽,衍射效应越明显波长越长,条纹宽度越宽,衍射效应越明显光的衍射例例1 1、一束波长为、一束波长为 =500=500nmnm的平行光垂直照射在一个单的平行光垂直照射在一个单缝上1)(1)已知单缝衍射的第一暗纹的衍射角已知单缝衍射的第一暗纹的衍射角 1 1=30=300 0,,求该单缝的宽度求该单缝的宽度a=?=?解:解: (1) (1)第一级暗纹第一级暗纹 k=1,k=1, 1 1=30=300 0光的衍射例例1 1、一束波长为、一束波长为 =500=500nmnm的平行光垂直照射在一个单的平行光垂直照射在一个单缝上2)(2)如果所用的单缝的宽度如果所用的单缝的宽度a= =0.5mm0.5mm,,缝后紧挨缝后紧挨着的薄透镜焦距着的薄透镜焦距f=1mf=1m,,求:求:( (a)a)中央明条纹的角宽度;中央明条纹的角宽度;( (b)b)中央亮纹的线宽度;中央亮纹的线宽度;( (c)c) 第一级与第二级暗纹的距第一级与第二级暗纹的距离(第一级明纹的宽度)离(第一级明纹的宽度)(a)(b)(c)光的衍射例例1 1、一束波长为、一束波长为 =500=500nmnm的平行光垂直照射在一个单的平行光垂直照射在一个单缝上。
缝上a= =0.5mm0.5mm,,f=1m f=1m (3) (3) 如果在屏幕上离中央亮纹中如果在屏幕上离中央亮纹中心为心为x=3.5mmx=3.5mm处的处的P P点,试求点,试求( (a)a) 从从P P处看,对该光波而处看,对该光波而言,狭缝处的波阵面可分割成几个半波带?言,狭缝处的波阵面可分割成几个半波带? ( (b)b)该该P P处处为亮纹还是暗纹?为亮纹还是暗纹?( (b b) )此处为第三级亮纹此处为第三级亮纹狭缝处波阵面可分成狭缝处波阵面可分成7 7个半波带个半波带光的衍射例例2 2 设设一一监监视视雷雷达达位位于于路路边边d d =15m=15m处处,,雷雷达达波波的的波波长长为为3030mmmm,,射射束束与与公公路路成成1515°°角角,,天天线线宽宽度度a = = 0.20m0.20m试求:该雷达监视范围内公路长试求:该雷达监视范围内公路长L L =? =?daββL Lθθ1 1 150光的衍射解解::将雷达波束看成是单缝衍射的将雷达波束看成是单缝衍射的0 0 级明纹级明纹daββL Lθθ1 1 150由由有有如图:如图:光的衍射§§3 3 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领一、夫琅和费圆孔衍射一、夫琅和费圆孔衍射一组明暗相间的同心圆环,中央亮斑最明亮。
衍射屏衍射屏观察屏观察屏 1 f透镜透镜L1I / I000.610光的衍射sin 1.22( /D)1I / I00爱里斑爱里斑二、分辨率二、分辨率1、、爱里斑爱里斑::夫琅和费圆孔衍射中夫琅和费圆孔衍射中以第一暗条纹为界的中央亮斑,集以第一暗条纹为界的中央亮斑,集中了光能的中了光能的83.8%83.8%角半径角半径::中央亮斑的半角宽度中央亮斑的半角宽度S1S2D**爱里斑爱里斑光的衍射刚可分辨刚可分辨非相干叠加非相干叠加不可分辨不可分辨2 2、瑞利判据、瑞利判据 对对于于两两个个等等光光强强的的非非相相干干物物点点, ,若若其其中中一一点点的的象象斑斑中中心心恰恰好好落落在在另另一一点点的的象象斑斑的的边边缘缘( (第第一一暗暗纹纹处处), ), 则则此此两两物物点点被被认认为为是是刚刚刚刚可以分辨可以分辨光的衍射s1s2 1 1D** 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,称为称为最小分辨角最小分辨角,等于爱里斑的半角宽度等于爱里斑的半角宽度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分辨率分辨率3 3、分辨率、分辨率光的衍射 1990 年发射的年发射的哈勃哈勃太空望远镜的凹面物镜的太空望远镜的凹面物镜的直径为直径为2.4 m,最小分辨角最小分辨角 在大气层外在大气层外 615 km 高空绕地运行高空绕地运行, ,可观察可观察130亿光年远的太空亿光年远的太空深处,发现了深处,发现了500 亿个星系亿个星系 . . 光的衍射d d反射光栅反射光栅d d透射光栅透射光栅§§5 5 光栅衍射光栅衍射 ( (grating diffraction)grating diffraction) 一、光栅一、光栅1 1、定义、定义: :由大量等宽、等间距的平行狭缝由大量等宽、等间距的平行狭缝( (或反射面或反射面) )构成的光学元件。
构成的光学元件2 2、分类、分类: :广广 义义 讲讲 ,,任任 何何 具具 有有 空空 间间 周周 期期 性性 的的 衍衍 射射 屏屏 都可叫作光栅都可叫作光栅 光的衍射3 3、光栅常数、光栅常数: :( (grating constant)grating constant) 光栅常数光栅常数d=d=a+b =L/N+b =L/N数量级为数量级为( (100-10000)/m100-10000)/mm m光栅密度光栅密度1/1/d d光的衍射二、实验装置和现象的定性解释二、实验装置和现象的定性解释光栅衍射演示光栅衍射演示1、装置、装置光的衍射abxf0屏屏θ衍射角衍射角Pθ光的衍射1 条条 缝缝20 条条 缝缝3 条条 缝缝5 条条 缝缝2、现象、现象(衍射图样光强分布的特征衍射图样光强分布的特征)光的衍射IN2I0单单048-4-8sin ( /d)光栅衍射光栅衍射光强曲线光强曲线((1))主主极极大大明明纹纹的的位位置置与与缝缝数数N无无关关,,对对称称地地分分布布在在中中央央明明纹的两侧;主极大光强的包络线具有单缝衍射的特点。
纹的两侧;主极大光强的包络线具有单缝衍射的特点2))在相邻的两个主极大之间,有在相邻的两个主极大之间,有 N 1个极小个极小 (暗纹)和(暗纹)和N 2个光强很小的次极大,当个光强很小的次极大,当N 很大时,实际上在相邻的主很大时,实际上在相邻的主极大之间形成一片暗区,即能获得又细又亮暗区很宽的光栅极大之间形成一片暗区,即能获得又细又亮暗区很宽的光栅衍射条纹衍射条纹光的衍射λλθθad f透镜透镜Iθθθθ衍射光相干叠加衍射光相干叠加3、定性说明、定性说明: 狭缝的位置对屏上的衍射图样的分布没有狭缝的位置对屏上的衍射图样的分布没有影响影响, ,N N条狭缝的衍射图样重叠在一起条狭缝的衍射图样重叠在一起, ,相干叠相干叠加加, ,强度重新分布强度重新分布光的衍射不考虑衍射时不考虑衍射时, , 多缝干涉的光强分布图多缝干涉的光强分布图04-8-48多光束干涉光强曲线多光束干涉光强曲线oP焦距焦距 f f缝平面缝平面G G观察屏观察屏透透 镜镜L dsin d --- ---光栅方程光栅方程(grating equation) ①① 干涉效应干涉效应干涉加强条件:干涉加强条件:ab+θdsin dθ光的衍射②②衍射效应衍射效应sin 0I单单I0单单-2-112( /a)单缝衍射光强曲线单缝衍射光强曲线 受衍射的影响,多缝干涉条纹各级主极大的强度受衍射的影响,多缝干涉条纹各级主极大的强度不再相等,而是受到了衍射的调制。
主极大的位置不再相等,而是受到了衍射的调制主极大的位置没有变化没有变化衍射暗纹位置:衍射暗纹位置:③③总效应总效应 = 干涉效应干涉效应×衍射效应衍射效应光的衍射sin 0I单单I0单单-2-112( /a)单缝衍射光强曲线单缝衍射光强曲线IN2I0单单048-4-8sin ( /d)单缝衍射单缝衍射 轮廓线轮廓线光栅衍射光栅衍射光强曲线光强曲线sin N2sin2N /sin2 04-8-48( /d)多光束干涉光强曲线多光束干涉光强曲线光的衍射单缝衍射单缝衍射双缝衍射中的干涉条纹双缝衍射中的干涉条纹I / (º)048-4-8 a=14 d = 56 双缝衍射中干涉条纹的强度为单缝衍射图样所影响双缝衍射中干涉条纹的强度为单缝衍射图样所影响a= d = 56 04 -8-48 /(º) 双缝干涉中干涉条纹的强度受单缝衍射的影响小双缝干涉中干涉条纹的强度受单缝衍射的影响小光的衍射A.A.共同本质共同本质 都是光波都是光波相干迭加相干迭加的结果的结果, ,干涉和衍射的花样都干涉和衍射的花样都是能量在空间不均匀分布的结果。
是能量在空间不均匀分布的结果B.B. 区别区别 A)A)干涉是干涉是有限束光有限束光的相干迭加的相干迭加, ,每一光束的传播都每一光束的传播都近似地用几何光学模型来处理近似地用几何光学模型来处理, ,干涉是光波干涉是光波粗略粗略的迭的迭加;加; B) B)衍射是波面上衍射是波面上无限多次波无限多次波的相干迭加的相干迭加, ,是是精细精细的的叠加 讨论讨论干涉与衍射的区别与联系干涉与衍射的区别与联系光的衍射缺级缺级缺级缺级单缝衍射单缝衍射多缝衍射多缝衍射d =10a4、缺级、缺级 (missing order) 光的衍射 为主最大出现的必要条件而非充分为主最大出现的必要条件而非充分条件(可能缺级)条件(可能缺级)缺级条件:缺级条件:衍射暗纹衍射暗纹干涉明纹干涉明纹出现缺级出现缺级时,, qq==k’kad主最大缺级级次主最大缺级级次ab+ θ光的衍射k=1k=2k=0k=4k=5k=-1k=-2k=-4k=-5k=3k=-3k=6k=-6缺级:缺级:k =3,6,9,...缺级缺级光栅衍射光栅衍射第三级极第三级极大值位置大值位置单缝衍射单缝衍射第一级极第一级极小值位置小值位置光的衍射单色平行光倾斜地射到光栅上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相邻两缝的入射光在入射到光栅前已有光程差(a+b)sin 0(a+b)(sin sin 0 )=k k=0,±1, ±2, ±3 · · ·入射光与衍射光在法线同侧取入射光与衍射光在法线同侧取"+",异侧取异侧取"-". 光的衍射 复色光照射光栅时,谱线按波长向外侧依次分开复色光照射光栅时,谱线按波长向外侧依次分开排列,形成光栅光谱。
排列,形成光栅光谱光栅分光镜光栅分光镜三、光栅光谱三、光栅光谱 (grating spectrum) 分光原理分光原理: :光的衍射光栅光谱光栅光谱单缝衍射单缝衍射光的衍射一级光谱一级光谱二级光谱二级光谱三级光谱三级光谱光的衍射例例1: 1: 利用一个每厘米刻有利用一个每厘米刻有40004000条缝的光栅,在白光条缝的光栅,在白光垂直照射下,可以产生多少完整的光谱?问哪一级垂直照射下,可以产生多少完整的光谱?问哪一级光谱中的哪个波长的光开始与其它谱线重叠?光谱中的哪个波长的光开始与其它谱线重叠? 解解 : : 对第对第k k级光谱,角位置从级光谱,角位置从 到到 ,要产生,要产生完整的光谱,即要求完整的光谱,即要求 的的( (k+1)k+1)级条纹在级条纹在 的第的第k k级级条纹之后,亦即条纹之后,亦即 根据光栅方程根据光栅方程 光的衍射由由 或或 得得 所以只有所以只有 才满足上式,所以只能产生一才满足上式,所以只能产生一个完整的可见光谱,而第二级和第三级光谱即有个完整的可见光谱,而第二级和第三级光谱即有重叠出现。
重叠出现 光的衍射 设第二级光谱中波长为设第二级光谱中波长为 的光与第三级中紫光开始重的光与第三级中紫光开始重叠,这样叠,这样光的衍射例例2:2:波长为波长为600600nmnm的单色光垂直入射在一光栅上,第的单色光垂直入射在一光栅上,第二级明纹出现在二级明纹出现在sinsin 2 2=0.2=0.2处,第处,第4 4级为第一个缺级级为第一个缺级求求(1)(1)光栅上相邻两缝的距离是多少?光栅上相邻两缝的距离是多少?(2)(2)狭缝可能的狭缝可能的最小宽度是多少?最小宽度是多少? (3) (3)按上述选定的按上述选定的a、、b b值,实际上值,实际上能观察到的全部明纹数是多少?能观察到的全部明纹数是多少?解解: (1)光的衍射在在-90-900 0< 解:解:第二次重合第二次重合k1=6,k2=4光的衍射 光栅的分辨本领是指把波长靠得很近的两条谱光栅的分辨本领是指把波长靠得很近的两条谱线分辨清楚的本领线分辨清楚的本领附:光栅的分辨本领附:光栅的分辨本领定义:定义:可以证明光栅分辨本领:可以证明光栅分辨本领: 色分辨本领由光栅本身的性质决定色分辨本领由光栅本身的性质决定: :N ,N ,谱线变细谱线变细锐锐, ,R ;k ,R ;k ,色散本领色散本领 , ,R R光的衍射 例例:设计一光栅,要求设计一光栅,要求(1)能分辨钠光谱的能分辨钠光谱的 5.890×10-7m和和5.896×10-7m的第二级谱线;的第二级谱线;(2)第二级谱线衍射角第二级谱线衍射角 ; (3)第三级谱线缺级第三级谱线缺级 解(解(1 1)) 按光栅的分辨本领按光栅的分辨本领得得即必须有即必须有((2 2)) 根据根据 光的衍射 这样光栅的这样光栅的 N 、、 a 、、b 均被确定均被确定3 3)缺级条件)缺级条件 由于由于 ,所以,所以光的衍射§§66 X X射线的衍射射线的衍射18951895年伦琴发现年伦琴发现X X 射线。 射线X X 射线是波长很短的电磁波:射线是波长很短的电磁波:0.01 0.01 _ 1010nmnm 阳极阳极阴极阴极X X射线管射线管-10104 410105 5V V+光的衍射X X 射线衍射射线衍射------劳厄实验劳厄实验劳劳厄厄斑斑点点 根据劳厄斑点的分根据劳厄斑点的分布可算出晶面间距,掌布可算出晶面间距,掌握晶体点阵结构握晶体点阵结构 晶体可看作三维晶体可看作三维立体光栅立体光栅晶体晶体底底片片铅铅屏屏X X 射射线线管管光的衍射布喇格父子对伦琴射线衍射的研究:布喇格父子对伦琴射线衍射的研究: d d晶格常数晶格常数( (晶面间距晶面间距) ) 掠射角掠射角光程差光程差 :干涉加强条件(布喇格公式):干涉加强条件(布喇格公式):A A O O. .. .. .C C. .B Bd dφφ光的衍射应用:应用: 1. 1. 如果晶格常数已知,可以用来测定如果晶格常数已知,可以用来测定X X射射线的波长,进行伦琴射线的光谱分析线的波长,进行伦琴射线的光谱分析 2. 2. 如果如果X X 射线的波长已知,可以用来测定射线的波长已知,可以用来测定晶体的晶格常数,进行晶体的结构分析。 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符合上述条件时,各层晶面的反射线干涉后将相互加强将相互加强光的衍射DNA 晶体的晶体的X衍射照片衍射照片DNA 分子的双螺旋结构分子的双螺旋结构例如对大分子例如对大分子 DNA DNA 晶体的成千张的晶体的成千张的X X射线衍射射线衍射照片的分析,显示出照片的分析,显示出DNADNA分子的分子的双螺旋双螺旋结构结构. .。
