閃耀光柵衍射的光強(qiáng)分布及計(jì)算機(jī)模擬-畢業(yè)論

1、. 學(xué)號(hào)20120601051012 密級(jí) 蘭州城市學(xué)院本科畢業(yè)論文閃耀光柵衍射的光強(qiáng)分布及計(jì)算機(jī)模擬 學(xué) 院 名 稱(chēng)：培黎工程技術(shù)學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)：物理學(xué) 學(xué) 生 姓 名：黃桃花 指 導(dǎo) 教 師：魏秀芳 教授二一六年五月BACHELOR'S DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITYCollege ：School of Bailie Engineering & TechnologySubject ：PhysicsName ：Huang TaoHuaDirected by ：Wei XiuFang ProfessorMay 2016鄭

2、重 聲 明本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 摘要由于閃耀光柵具有零級(jí)分光的特性，使它廣泛的應(yīng)用與精密測(cè)量、光通訊等領(lǐng)域。本文以閃耀光柵為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)衍射現(xiàn)象及其原理的了解，分閃耀光柵的分光原理及閃耀光柵的光強(qiáng)分布與閃耀角、閃耀波長(zhǎng)的關(guān)系，利用計(jì)算機(jī)模擬閃耀光柵衍射的光強(qiáng)分布。關(guān)鍵字：閃耀光柵 衍射現(xiàn)象 光強(qiáng)分布

3、模擬目錄第1章 緒論31.1 引言31.2 課題背景及研究意義31.3 課題研究?jī)?nèi)容4第2章 衍射現(xiàn)象52.1 光的衍射的概念52.2 對(duì)光的衍射含義的解讀52.3 光的衍射的類(lèi)型72.4光衍射原理的分析72.4.1單縫衍射72.4.2圓孔衍射82.4.3 小障礙物衍射82.5光的衍射與光干涉之間的區(qū)別92.6光衍射原理的應(yīng)用9第三章 閃耀光柵113.1 閃耀光柵的原理113.2 閃耀光柵的光強(qiáng)123.3 計(jì)算機(jī)模擬閃耀光柵衍射的光強(qiáng)分布13第四章 閃耀光柵的應(yīng)用13第1章 緒論1.1 引言 光的波長(zhǎng)是光的重要特性之一，測(cè)量物體輻射或吸收的波長(zhǎng)能量分布是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中探測(cè)領(lǐng)域的重要手段。衍射光

4、柵能夠根據(jù)不同的波長(zhǎng)將入射光衍射到不同的方向上，是由規(guī)則排列的光學(xué)性質(zhì)呈周期性或準(zhǔn)周期性變化的線、縫、槽、點(diǎn)陣構(gòu)成的。衍射光柵可以用來(lái)從白光或多色光中分離單色光和研究光譜是光譜學(xué)研究中的重要色散元件，因此在許多光學(xué)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。 光譜儀器是一種利用光學(xué)光譜的色散原理設(shè)計(jì)的光學(xué)儀器，能夠通過(guò)觀測(cè)、研究光譜來(lái)了解物質(zhì)、各種反應(yīng)過(guò)程，相較其他分析儀器，具有分析精度高測(cè)量范圍大、速度快等優(yōu)點(diǎn)。作為主要的分析儀器光譜儀器占據(jù)了分析儀器市場(chǎng)份額的25%左右，已經(jīng)形成了年產(chǎn)值幾十億美元的相關(guān)產(chǎn)業(yè)，在社會(huì)、生活和科學(xué)研究中發(fā)揮著重要的作用。目前，光譜儀已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、衛(wèi)生、醫(yī)藥、食品

5、、環(huán)保紡織、材料、冶金、石化、能源等諸多領(lǐng)域，也是軍事勘察、宇宙探測(cè)等必不可少的遙感設(shè)備。 衍射元件與光譜儀器是相輔相成、密不可分的。歷史上光柵的出現(xiàn)將光譜儀的發(fā)展帶上了一個(gè)新的臺(tái)階，與此同時(shí)光譜儀器的發(fā)展也有力的推動(dòng)了光柵的進(jìn)步。如今衍射光柵已成為光譜儀器的核心器件，其光譜分辨率與衍射效率等指標(biāo)都直接決定了光譜儀的性能。目前，光柵光譜儀器主導(dǎo)著光譜儀器的市場(chǎng)，占其市場(chǎng)份額的九成左右，因此，作為光譜儀器核心競(jìng)爭(zhēng)力之一的衍射光柵的發(fā)展也備受關(guān)注。 1.2 課題背景及研究意義光柵是重要的分光元件之一，在大多數(shù)光譜儀和單色儀中經(jīng)常用到。在波動(dòng)光學(xué)的教學(xué)中光柵既是難點(diǎn)又是重點(diǎn)。在現(xiàn)行光學(xué)教材中，對(duì)平面

6、透射式光柵的講解是十分詳細(xì)的，并且有相當(dāng)一部分文獻(xiàn)針對(duì)平面透射式光柵展開(kāi)了討論。相對(duì)而言，閃耀光柵衍射圖樣分析在教材中僅僅提及，雖然有部分文獻(xiàn)對(duì)于閃耀光柵的衍射作了一定的研究，但相關(guān)討論數(shù)學(xué)運(yùn)算較為復(fù)雜。本文借Mathematica軟件模擬了閃耀光柵衍射光強(qiáng)度與閃耀角和入射光的關(guān)系。對(duì)選定的閃耀光柵而言，它有特定的閃耀角，當(dāng)選擇閃耀波長(zhǎng)入射時(shí)，衍射圖樣只存在一列光譜; 適當(dāng)加寬入射光譜范圍，可以看到這僅存的一序光譜將以閃耀波長(zhǎng)為中心進(jìn)行展開(kāi); 當(dāng)入射光波長(zhǎng)范圍較寬時(shí)將會(huì)有多序光譜重疊。1.3 課題研究?jī)?nèi)容1. 理解衍射現(xiàn)象及閃耀光柵衍射原理，分析閃耀光柵零級(jí)分光的原因。2. 通過(guò)對(duì)平面衍射光柵

7、光強(qiáng)的分析，得出閃耀光柵的光強(qiáng)分布并對(duì)其分布特征進(jìn)行分析。3. 用計(jì)算機(jī)模擬閃耀光柵衍射的光強(qiáng)分布。第二章 衍射現(xiàn)象2.1 光的衍射含義及類(lèi)型在日常生活中，我們常常會(huì)發(fā)現(xiàn)以下這樣的現(xiàn)象：物體在投影儀或者幻燈機(jī)的照射下，在幕布上的投影邊緣會(huì)有色彩顯示出來(lái)。在幾何光學(xué)的概念射里，光是沿著直線傳播的，所以，以上現(xiàn)象用幾何光學(xué)的知是無(wú)法解釋的。這種現(xiàn)象只能由光的衍射現(xiàn)象解釋?zhuān)汗獾难苌渲傅氖枪獗荛_(kāi)其障礙物，不經(jīng)過(guò)直線傳播就進(jìn)入幾何的陰影，并且在屏幕上呈現(xiàn)光強(qiáng)不均勻的光學(xué)現(xiàn)象。光的波動(dòng)性質(zhì)決定了光衍射現(xiàn)象的發(fā)生，發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象條件：障礙物的尺寸或者縫、孔的寬度與波長(zhǎng)差不多，或者比波長(zhǎng)短的時(shí)候，衍射現(xiàn)象

8、才會(huì)比較明顯。1.從字面上來(lái)講。衍射中的“衍”包含“展開(kāi)”與“多余”的意思，當(dāng)遇到障礙時(shí)可以繞過(guò)障礙，得以“展開(kāi)”，而出現(xiàn)了本不該有的，就是“多余”之意。至于光在繞過(guò)障礙后光強(qiáng)如何分布，在觀察屏上能否顯現(xiàn)圖樣，可以被觀察到，就會(huì)與是否“衍射”不存在任何關(guān)聯(lián)了。2由邏輯角度來(lái)看。概念應(yīng)該是對(duì)事物的本質(zhì)屬性的反映。光的衍射與光的干涉作為兩個(gè)有力的證據(jù)證明了“光是波”這一概念的正確性，光的衍衍射與干涉作為光的波動(dòng)性概念下的兩個(gè)不同的子概念，是對(duì)光波這一概念所包含的兩個(gè)不同方面基本性質(zhì)的反映。光波的拐彎偏折使出現(xiàn)的暗帶內(nèi)的光強(qiáng)不會(huì)為零，這是光的衍射與光的其他相關(guān)概念相區(qū)別的本質(zhì)屬性與顯著特征。而光波相

9、干疊加又使得陰影內(nèi)光強(qiáng)分布不均勻，這也正是光的干涉的本質(zhì)屬性與顯著特征的真正體現(xiàn)。在“光的衍射”的傳統(tǒng)定義中，混淆了衍射與干涉概念，犯了“子項(xiàng)相容”的錯(cuò)誤。傳統(tǒng)的定義認(rèn)為光的衍射中包括干涉，這實(shí)際上是衍射與干涉兩個(gè)概念的交叉重疊。3從實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象上來(lái)看。實(shí)際上，光波在傳播的過(guò)程中,遇到障礙物的時(shí)候,就會(huì)有衍射現(xiàn)象的發(fā)生；但是光的衍射現(xiàn)象特點(diǎn)及明顯程度,與障礙物長(zhǎng)度有著直接密切的聯(lián)系。以小孔衍射為例，實(shí)踐與理論都表明，物體的開(kāi)孔越小,“光波拐彎”就越厲害。物體的小孔小到一定程度時(shí)，可把透過(guò)小孔的波面當(dāng)做獨(dú)立點(diǎn)光源發(fā)出的均勻球面波，在衍射屏后的陰影內(nèi)只有比較均勻的照明，但是卻沒(méi)有出現(xiàn)明暗相間的條紋。

10、在單縫衍射方面,縫寬不太窄的時(shí)候, 屏上光強(qiáng)強(qiáng)弱分布會(huì)比較明顯（圖1）；隨著縫寬逐漸變窄，中央主極大的范圍變寬并且變得平坦，第一極小離中央主極大比較遠(yuǎn)，于此同時(shí)，強(qiáng)弱分布也逐漸變得不明顯（圖2）；縫寬無(wú)限窄的時(shí)候，第一極小會(huì)移動(dòng)到無(wú)限遠(yuǎn)，確切的說(shuō)已經(jīng)沒(méi)有明暗條紋了，屏已被光波均勻照明了。 圖 2.1 圖 2.2此外，我們對(duì)于衍射與光波的關(guān)系可以認(rèn)為是光波就會(huì)有衍射現(xiàn)象，而只要有衍射現(xiàn)象就能夠證明是光波。對(duì)于聲波、水波以及無(wú)線電波等波的衍射中，我們只是注重“波拐彎”現(xiàn)象，而對(duì)于光波卻還要加上“陰影內(nèi)的光強(qiáng)分布不均勻”的必要條件，衍射作為一個(gè)一般概念，是所有波都具有的特征，對(duì)衍射的表述應(yīng)該適用于包

11、括光波在內(nèi)的一切波。否則，就會(huì)對(duì)衍射概念的一致性產(chǎn)生影響。2.3 光的衍射的類(lèi)型 實(shí)驗(yàn)室里為了觀察衍射現(xiàn)象，總是由光源、衍射屏和接收衍射圖樣的屏幕(稱(chēng)為接收屏)組成一個(gè)衍射系統(tǒng)。為了研究方便，通常根據(jù)衍射系統(tǒng)中三者的相互距離的大小，將衍射現(xiàn)象分為兩類(lèi)，一類(lèi)稱(chēng)為菲涅爾衍射，另一類(lèi)稱(chēng)為夫瑯禾費(fèi)(J.Fraunhofer,1787- 1826)衍射。 （1）菲涅爾衍射：所謂菲涅耳衍射，就是當(dāng)光源到衍射屏的距離或接收屏到衍射屏的距離不是無(wú)限大時(shí)，或兩者都不是無(wú)限大時(shí)所發(fā)生的衍射現(xiàn)象?？梢?jiàn)在菲涅耳衍射中，入射光或衍射光不是平行光，或兩者都不是平行光。 （2）夫瑯禾費(fèi)衍射：所謂夫瑯禾費(fèi)衍射，就是當(dāng)光源到衍

12、射屏的距離和接收屏到衍射屏的距離都是無(wú)限大時(shí)，所發(fā)生的衍射現(xiàn)象?？梢?jiàn)在夫瑯禾費(fèi)衍射中入射光和衍射到接收屏上任意一點(diǎn)的光都是平行光。夫瑯禾費(fèi)衍射的條件在實(shí)驗(yàn)室里可借助于透鏡實(shí)現(xiàn)。將光源放置在會(huì)聚透鏡L1的焦點(diǎn)上，則從L1透射的光，即衍射孔的入射光就是平行光；同時(shí)將接收屏放置在會(huì)聚透鏡 L2 的焦面上，則到達(dá)接收屏上任意一點(diǎn)的衍射光也是平行光。2.2光衍射原理的分析常見(jiàn)的光的衍射現(xiàn)象主要包括單縫衍射、圓孔衍射、小障礙衍射，其產(chǎn)生原理分別為：2.4.1單縫衍射當(dāng)單色光射入單縫的時(shí)候，會(huì)有明暗相間的不等距條紋的出現(xiàn)，中間的亮條文比較亮、比較寬，而兩邊的條紋比較暗、比較窄；當(dāng)白光射入單縫的時(shí)候，會(huì)有彩色

13、條紋的出現(xiàn)。當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)，單縫寬度越小，中間的條紋越寬，各個(gè)條紋的距離就越大；當(dāng)單縫寬度一定時(shí)，光波波長(zhǎng)越長(zhǎng)，中間條紋就越寬，各個(gè)條紋的距離就越大。2.4.2圓孔衍射 如圖2.3所示。圖2.3 圓孔衍射圖當(dāng)孔半徑較大時(shí)，光沿直線傳播，在屏上得到一個(gè)按直線傳播計(jì)算出來(lái)一樣大小的亮圓斑；減小孔的半徑，屏上將出現(xiàn)按直線傳播計(jì)算出來(lái)的倒立的光源的像，即小孔成像；繼續(xù)減小小孔的半徑，屏上將出現(xiàn)明暗相間的圓形衍射光環(huán)。 2.4.3 小障礙物衍射小障礙物衍射，指的是在進(jìn)行光的衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)在小孔中心放置一個(gè)不透明的物體。如果我們只能看這個(gè)不透明物體的左右兩邊，此時(shí)它就會(huì)變成雙縫。所以，小障礙物產(chǎn)生的衍射圖案通過(guò)

14、對(duì)雙縫衍射圖案的180°旋轉(zhuǎn)就可得到。同時(shí)，放置的障礙物的大小情況會(huì)對(duì)屏上顯現(xiàn)的衍射圖案產(chǎn)生直接影響。當(dāng)小障礙過(guò)大時(shí)，后面的屏上就會(huì)出現(xiàn)小障礙物的影子，而小障礙物的大小較為合適，此時(shí)在做復(fù)色光的衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，后面的屏中央部位會(huì)出現(xiàn)白斑。所以，小障礙物衍射原理與雙縫衍射是一致的。2.5光的衍射與光干涉之間的區(qū)別在楊氏雙縫的實(shí)驗(yàn)中，光波經(jīng)過(guò)雙縫產(chǎn)生的是干涉現(xiàn)象，在夫朗和費(fèi)的雙縫實(shí)驗(yàn)中，光波經(jīng)過(guò)雙縫后又發(fā)生了光的衍射現(xiàn)象。光的干涉與衍射二者都是相干疊加產(chǎn)生的結(jié)果。 從現(xiàn)象上看，都是光能量的分布不均勻產(chǎn)生的結(jié)果。而從解決問(wèn)題的方法上來(lái)說(shuō)，都通過(guò)惠更斯和疊加原理的應(yīng)用，把所考慮的中心問(wèn)題歸結(jié)為相

15、位差。數(shù)學(xué)處理的方法上，光的衍射所采用是積分法，也就是無(wú)限項(xiàng)求和法而干涉采用的則是有限項(xiàng)求和法。因此可以看出，光的衍射是一種精細(xì)的、無(wú)限多束光的疊加，而干涉則是粗糙的、有限光束的疊加。從二者本質(zhì)來(lái)講，光的干涉與衍射都是光波相干疊加的產(chǎn)生的結(jié)果，這是兩者的共性。而兩者間的主要差別體現(xiàn)在：光的衍射是光波在傳播過(guò)程中因?yàn)椴嚸娴南拗?，使得光的傳播同原先的直線傳播方向相偏離，這就使得無(wú)窮多個(gè)次波之間的光程差發(fā)生疊加效應(yīng)；然而在光的干涉過(guò)程中，光并沒(méi)有偏離直線傳播，而是在有限的光束間因?yàn)楣獬滩畹牟煌纬莎B加的效應(yīng)。光的干涉是有限數(shù)量的光的疊加，如果參與疊加的光束的傳播能夠用幾何光學(xué)的模型進(jìn)行處理，此時(shí)

16、就可以看作是純干涉的問(wèn)題；然而光的衍射則是無(wú)窮數(shù)量的次波的相干疊加，光的衍射強(qiáng)調(diào)的是開(kāi)孔必須是一個(gè)連通的域，是與幾何光學(xué)直線傳播規(guī)律所產(chǎn)生現(xiàn)象的不同反映。在大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)中大小無(wú)關(guān)，通常所說(shuō)的光的直線傳播，指的是光的波長(zhǎng)與障礙物的線度差別 光的干涉與衍射現(xiàn)象是同時(shí)存在的，光的衍射對(duì)光的干涉的調(diào)制主要體現(xiàn)在光強(qiáng)的分布上。2.6光衍射原理的應(yīng)用在現(xiàn)代科技、光學(xué)及其物理學(xué)中，光衍射的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛了，光的衍射應(yīng)用有以下幾個(gè)應(yīng)用方向：1） 普遍應(yīng)用于光譜分析領(lǐng)域，比如說(shuō)衍射光柵光譜儀等。2） 應(yīng)用于衍射成像，比如說(shuō)衍射成像概念、成像儀器分辨。3） 衍射呈現(xiàn)波陣面，有利于全息術(shù)原理的進(jìn)一步發(fā)展。 4） 衍射廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析，例如X射線結(jié)構(gòu)學(xué)等。 第三章 閃耀光柵3.1 閃耀光柵的原理如圖3.1所示，以磨平了的金屬板或鍍上金屬膜的玻璃板為胚子，用楔形鉆石刀頭在上面刻劃出一系列等間距的鋸齒狀槽面而制成。鋸齒的周期為d，槽面的寬度為a，槽面與光柵面之間的夾角，或者說(shuō)它們的法線n和N之間的夾角b稱(chēng)為閃耀角。由于槽面與光柵平面不平行，因此，從單個(gè)槽面衍射的零級(jí)主極大和各個(gè)槽面之間干涉的零級(jí)主極大分開(kāi)，從而使光能量從干涉零級(jí)主極大轉(zhuǎn)移并集中到某一級(jí)光譜上去。在這種結(jié)構(gòu)中，光柵干涉主極大方向是以光柵面法線方向N為其零級(jí)方向，而衍射的中央主極大方向則是由槽面法線方向n等其他因素決定。對(duì)于