閃耀光柵衍射的光強(qiáng)分布及計算機(jī)模擬-畢業(yè)論文

1、學(xué)號 20120601051012學(xué)號 20120601051012密級蘭州城市學(xué)院本科畢業(yè)論文閃耀光柵衍射的光強(qiáng)分布及計算機(jī)模擬學(xué)院名稱：培黎工程技術(shù)學(xué)院專業(yè)名稱：物理學(xué)學(xué)生姓名：黃桃花指導(dǎo)教師：魏秀芳 教授本人簽名： 日期：二O六年五月BACHELORS DEGREE THESISOF LANZHOU CITY UNIVERSITYCollege:School of Bailie Engin eer ing & Tech no logySubject:PhysicsName:Huang TaoHuaDirected by:Wei XiuFang ProfessorMay 2016鄭重聲明本

2、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。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。摘要由于閃耀光柵具有零級分光的特性，使它廣泛的應(yīng)用與精密測量、光通訊等 領(lǐng)域。本文以閃耀光柵為研究對象，通過對衍射現(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、 閃耀波長的關(guān)系，利用計算機(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)分布模擬目錄 TOC o

3、1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第 1 章 緒論 6. HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 引言 6 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 課題背景及研究意義 6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 課題研究內(nèi)容 7 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第 2 章 衍射現(xiàn)象 8.光的衍射的概念 8對光的衍射含義的解讀 錯誤！未定義書簽。 H

4、YPERLINK l bookmark20 o Current Document 光的衍射的類型 10 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 光衍射原理的分析 10單縫衍射 11圓孔衍射 11小障礙物衍射 11 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 光的衍射與光干涉之間的區(qū)別 12 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 光衍射原理的應(yīng)用 12 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第三章 閃耀光柵 1.3. HY

5、PERLINK l bookmark32 o Current Document 閃耀光柵的原理 13 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 閃耀光柵的光強(qiáng) 14計算機(jī)模擬閃耀光柵衍射的光強(qiáng)分布 15 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 第四章 閃耀光柵的應(yīng)用 1.5.第 1 章 緒論引言光的波長是光的重要特性之一，測量物體輻射或吸收的波長能量分布是現(xiàn) 代科學(xué)技術(shù)中探測領(lǐng)域的重要手段。 衍射光柵能夠根據(jù)不同的波長將入射光衍射 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)

6、陣構(gòu)成的。衍射光柵可以用來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)計的光學(xué)儀器，能夠通過觀測、 研究光譜來了解物質(zhì)、 各種反應(yīng)過程， 相較其他分析儀器， 具有分析精度高測量 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、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、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 測等必不可少的

7、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)展帶上了一個新的臺階， 與此同時光譜儀器的發(fā)展也有力的推動了光柵的進(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， 占其 市場份額的九成左右， 因此，作為光譜儀器核心競爭力之一的衍射光柵的發(fā)展也 備受關(guān)注。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 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， 對平面透射式光柵的 講解是十分詳細(xì)的， 并且有相當(dāng)一部分文獻(xiàn)針

8、對平面透射式光柵展開了討論。 相 對而言，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)選擇閃耀波長入射時， 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為中心進(jìn)行展開 當(dāng)入射光波長范圍較寬時將會有多序光譜重疊。課題研究內(nèi)容理解衍射現(xiàn)象及閃耀光柵衍射原理，分析閃耀光柵零級分光的原因。通過對平面衍射光柵光強(qiáng)的分析，得出閃耀光柵的光強(qiáng)分布并對其分布 特

9、征進(jìn)行分析。用計算機(jī)模擬閃耀光柵衍射的光強(qiáng)分布。第二章 衍射現(xiàn)象光的衍射含義及類型在日常生活中， 我們常常會發(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有色彩顯示出來。 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)的知是無法解釋的。 這種現(xiàn)象只 能由光的衍射現(xiàn)象解釋： 光的衍射指的是光避開其障礙物， 不經(jīng)過直線傳播就進(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 與波長差不多，或者比波長短的時候，衍射現(xiàn)象才會比較明顯。1.

10、從字面上來講。衍射中的“衍”包含“展開”與“多余”的意思，當(dāng)遇到障礙 時可以繞過障礙，得以“展開” ，而出現(xiàn)了本不該有的，就是“多余”之意。至 于光在繞過障礙后光強(qiáng)如何分布， 在觀察屏上能否顯現(xiàn)圖樣， 可以被觀察到， 就 會與是否“衍射”不存在任何關(guān)聯(lián)了。2由邏輯角度來看。概念應(yīng)該是對事物的本質(zhì)屬性的反映。光的衍射與光的干 涉作為兩個有力的證據(jù)證明了 “光是波” 這一概念的正確性， 光的衍衍射與干涉 作為光的波動性概念下的兩個不同的子概念， 是對光波這一概念所包含的兩個不 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

11、著特征。 而光波相干疊加又 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概念 的交叉重疊。3從實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象上來看。實(shí)際上，光波在傳播的過程中 , 遇到障礙物的時候 , 就 會有衍射現(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，物體的開孔越小 ，“光波拐彎”就越 厲害。物體的小孔小到一定程度時，可把透過小孔的波面當(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

12、有比較均勻的照明， 但是卻沒有出現(xiàn)明暗相 間的條紋。在單縫衍射方面，縫寬不太窄的時候，屏上光強(qiáng)強(qiáng)弱分布會比較明顯 （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，強(qiáng)弱分布也逐漸變得不明顯（圖2）；縫寬無限窄的時候，第一極小會移動到無限遠(yuǎn)，確切的說已經(jīng)沒有明暗條紋了，屏已被 光波均勻照明了。圖2.1圖 2.2此外，我們對于衍射與光波的關(guān)系可以認(rèn)為是光波就會有衍射現(xiàn)象，而只要 有衍射現(xiàn)象就能夠證明是光波。 對于聲波、 水波以及無線電波等波的衍射中， 我 們只是注重 “波拐彎”現(xiàn)象，而對于光波卻還要加上 “陰影內(nèi)的光強(qiáng)分布不均勻” 的必要條件，

13、衍射作為一個一般概念， 是所有波都具有的特征， 對衍射的表述應(yīng) 該適用于包括光波在內(nèi)的一切波。否則，就會對衍射概念的一致性產(chǎn)生影響。光的衍射的類型實(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（稱為接收屏 ）組成一個衍射系統(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， 一類稱為菲涅爾衍射， 另一類稱為夫瑯 禾費(fèi)（J.Frau nhofer,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限大時， 或兩者都不是無限大時所發(fā)生的衍射現(xiàn)象。 可見在 菲涅耳衍射中，入射光

14、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)光源到衍射屏的距離和接收 屏到衍射屏的距離都是無限大時， 所發(fā)生的衍射現(xiàn)象。 可見在夫瑯禾費(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； 同時將接收屏放置在會聚透鏡 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。光衍射原理的分析常見的光的衍射現(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：241單縫衍射當(dāng)單色光射入單縫的時候，會

15、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 縫的時候，會有彩色條紋的出現(xiàn)。當(dāng)波長一定時，單縫寬度越小，中間的 條紋越寬，各個條紋的距離就越大；當(dāng)單縫寬度一定時，光波波長越長， 中間條紋就越寬，各個條紋的距離就越大。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，光沿直線傳播，在屏上得到一個按直線傳播計算出來一樣 大小的亮圓斑；減小孔的半徑，屏上將出現(xiàn)按直線傳播計算出來的倒立的光源的 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

16、在小孔中心放置一個不透明的 物體。如果我們只能看這個不透明物體的左右兩邊， 此時它就會變成雙縫。所以, 小障礙物產(chǎn)生的衍射圖案通過對雙縫衍射圖案的 180旋轉(zhuǎn)就可得到。同時，放 置的障礙物的大小情況會對屏上顯現(xiàn)的衍射圖案產(chǎn)生直接影響。當(dāng)小障礙過大 時，后面的屏上就會出現(xiàn)小障礙物的影子， 而小障礙物的大小較為合適，此時在 做復(fù)色光的衍射實(shí)驗(yàn)時，后面的屏中央部位會出現(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

17、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。 而從解決問題的方法上 來說，都通過惠更斯和疊加原理的應(yīng)用，把所考慮的中心問題歸結(jié)為相位差。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程中因?yàn)椴?面的限制， 使得光的傳播同原先的直線傳播方向相偏離， 這就使得無窮多個次波 之間的光程差發(fā)生疊加效應(yīng)；然而

18、在光的干涉過程中，光并沒有偏離直線傳播， 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 就可以看作是純干涉的問題； 然而光的衍射則是無窮數(shù)量的次波的相干疊加， 光 的衍射強(qiáng)調(diào)的是開孔必須是一個連通的域， 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)中大小無關(guān)， 通常所說的光的直線傳播， 指的是 光的波長與障礙物的線度差別 光的干涉與衍射現(xiàn)象是同時存在的，光的衍射對 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

19、越來越廣泛了，光的衍 射應(yīng)用有以下幾個應(yīng)用方向：1）普遍應(yīng)用于光譜分析領(lǐng)域，比如說衍射光柵光譜儀等。2）應(yīng)用于衍射成像，比如說衍射成像概念、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，或者說它們的法線 n和N之間的夾角 稱為閃耀角。由于槽面與光柵平面不平行，因此，從單個槽面衍射的零級主極大和各個 槽面之間干涉的零級主

20、極大分開，從而使光能量從干涉零級主極大轉(zhuǎn)移并集中到 某一級光譜上去。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。對于按角入射的平行光束A來說，其單個槽面衍射中央主極大方向?yàn)槠洳勖骁R面的反射方向 B。此時的B方向光很強(qiáng)，就如同光滑表面反射的耀眼的光一樣，所以稱為閃耀 光柵。圖3.1閃耀光柵閃耀光柵的光強(qiáng)當(dāng)平行光垂直光柵宏觀平面入射時，如圖 3.2所示，閃耀光刪的衍射光強(qiáng) 分布函數(shù)為-斗命冷 （3.1）其中?Qsta（E-0J-s碣B F sinA式中d 光柵常量，a單槽衍射寬度，：B為衍射光與光柵宏 觀平面法線的夾角。圖 3.1 光垂直入射到閃耀光柵表面計算機(jī)模擬閃耀光柵衍射的光強(qiáng)分布第四章 閃耀光柵的應(yīng)用1234567891的研究系應(yīng)用研究基基于于究設(shè)基于 于片 于于壓于 于片機(jī)機(jī) 片片片片機(jī)機(jī)機(jī)基基基基于于于于