光的衍射偏振

光的衍射偏振1第1頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月衍射通常分為兩類1.菲涅耳衍射光源、觀察屏（或二者之一）到狹縫的距離有限,也稱為近場衍射。2.夫瑯禾費衍射光源、觀察屏到狹縫的距離均為無窮遠，也稱為遠場衍射。AB.SEAB2第2頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、惠更斯—菲涅耳原理從同一波前上各點發(fā)出的次波是相干波，經(jīng)過傳播在空間某點相遇時的疊加是相干疊加。SdS.設(shè)波面S

初相為p，其上面元ds

在P

點引起的振動為F比例系數(shù)，k(

)傾斜因子。3第3頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月p點的合振動——惠更斯—菲涅耳原理數(shù)學(xué)表達式。對于點光源發(fā)出的球面波，初相位可取為零，且傾斜因子菲涅耳假設(shè)，當(dāng)時，，可以說明次波為什么不會向后退。4第4頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、物像之間等光程性簡介平行光通過透鏡后，將匯聚于焦平面上成一亮點，這是由于某時刻平行光波前上各點的相位相同,到達焦平面后相位仍然相同，因而干涉加強，可見，透鏡不引起附加的光程差。焦平面ABCDE5第5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月用光程表示當(dāng)用透鏡或透鏡組成的光學(xué)儀器觀測干涉時，觀測儀器不會帶來附加的光程差。ABCFDE..6第6頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月b13.8單縫的夫瑯禾費衍射一、用菲涅耳半波帶法研究衍射條紋分布當(dāng)一束平行光垂直照射狹逢時，衍射光經(jīng)透鏡會聚到焦平面處的屏上，形成衍射條紋。7第7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月q單縫衍射圖樣,是單縫處波面上無數(shù)個次波在不同方向上的光疊加干涉的結(jié)果。8第8頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（衍射角：向上為正，向下為負）縫上下邊緣兩條光線間的光程差：9第9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)將BC

分成N

等份,每份長度為λ/2,對應(yīng)把波面AB

切割成N

個波帶,使得相鄰兩個波帶上的對應(yīng)點所發(fā)出的次波到達P

點處的光程差均為λ/2

。對于某一確定的衍射角

，若BC

恰好為半波長的偶數(shù)倍，則在P點處各相鄰兩個子波帶干涉相消，整體將呈現(xiàn)為暗條紋中心。1.菲涅耳半波帶法10第10頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月若BC

恰好為半波長的奇數(shù)倍，則P

點處將呈現(xiàn)為明條紋中心；衍射角

越大對應(yīng)的明條紋越暗。對于P點，狹縫處半波帶的數(shù)目在給定縫寬a和波長λ時，半波帶數(shù)目和半波帶面積大小，僅決定于衍射角。11第11頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.暗紋與明紋條件暗紋條件為第一級、第二級、…暗紋。明紋條件為第一級、第二級、…明紋。中央明紋12第12頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月中央兩側(cè)第一暗條紋之間的區(qū)域，為中央明條紋區(qū)域，它滿足條件：3.中央明條紋的半角寬度當(dāng)衍射角很小時，半角寬度其它各級明條紋的半角寬度為中央明條紋半角寬度的一半。13第13頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月14第14頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.波長一定時，縫寬a與衍射角成反比。2.縫寬a一定時，波長與衍射角成正比。4.單縫衍射和雙縫干涉條紋不同。3.當(dāng)時，，屏上形成狹縫的幾何投影，波動光學(xué)退化到幾何光學(xué)。討論15第15頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4.中央明條紋線寬度與條紋在屏上的位置在衍射角很小時屏上中央明條紋的線寬度為：又則16第16頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月暗紋中心位置其他任意兩相鄰暗紋的間距(或明紋寬度)：條紋在屏幕上的位置與波長成正比，如果用白光做光源，中央為白色明條紋，其兩側(cè)各級都為彩色條紋，該衍射圖樣稱為衍射光譜。明紋中心位置17第17頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、用振幅矢量法表示各級條紋強度將單縫上的波面分成N

個寬度為d微波帶（次波源），每個微波帶寬度為。次波源到屏上P點相位依次相差P點的振動為N個同方向、同頻率、等振幅、相位差依次的次波在P點的光振動的疊加。18第18頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月振動疊加矢量圖合振動振幅與的夾角半徑由幾何關(guān)系，得19第19頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月其中中央明紋所以令故P點的光強——單縫夫瑯禾費衍射光強分布公式。或20第20頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月光強分布圖21第21頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例1用波長500nm的單色光垂直照射到0.5mm的縫寬單縫上，縫后透鏡焦距0.5m。求（1）中央明紋的寬度；（2）第一級明紋的寬度。解（1）由式子,得22第22頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月中央明紋的寬度（2）第一級明紋的寬度23第23頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)1.圓孔夫瑯禾費衍射光通過小圓孔時產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，圖樣中央是個明亮的圓斑（愛里斑），外圍是一組同心的明環(huán)和暗環(huán)。中央明紋區(qū)域（愛里斑）集中了光強的84%。*24第24頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月dfDθ0愛里斑的半角寬其中,d為愛里斑的直徑,D=2a為圓孔的直徑。第一暗環(huán)對應(yīng)的衍射角稱為愛里斑的半角寬。25第25頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.瑞利判據(jù)光學(xué)儀器對物點成象是一個有一定大小的愛里斑。通常，光學(xué)儀器中所用的光闌和透鏡都是圓的，所當(dāng)兩個物點距離足夠小時，就存在能否分辨的問題。以研究圓孔夫瑯禾費衍射，對評價儀器成像質(zhì)量具有重要意義。物點S像S′L26第26頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月瑞利判據(jù)物點S1

的愛里斑中心恰好與另一個物點S2

的愛里斑邊緣（第一衍射極?。┫嘀睾蠒r，恰可分辨兩物點。例如，天上兩顆亮度大致相同、相隔很遠的星體所組成的兩組衍射像斑的中央亮斑（愛里斑）重疊很少或沒有重疊時，能分辨這兩顆星體;若兩個中央亮斑大部分重疊,則兩顆星體分不清。27第27頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月S1S2θS1S2θS1S2θ可分辨剛可分辨不可分辨28第28頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月光學(xué)儀器的最小分辨角光學(xué)儀器的分辨率29第29頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例2設(shè)想瑞利判據(jù)中物點為兩顆明亮星，通過直徑30mm、焦距30cm的透鏡，在屏上成像。問滿足瑞利判據(jù)的兩物點的角距離最小多大？此時在焦平面上的距離多大?光波波長550nm。兩星的最小角距離解焦平面上的距離30第30頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月13.9衍射光柵及光柵光譜一、衍射光柵利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散的元件稱為光柵。光柵的種類很多，有透射光柵、平面反射光柵和凹面光柵等。在一塊透明的平板上刻有大量相互平行等寬等間距的刻痕，為透射光柵。兩刻痕之間的寬度為a，刻痕寬度為

b，則d=a+b

稱為光柵常數(shù)。31第31頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月abfC-5-4-3-2-1k=01234532第32頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光柵衍射條紋1.光柵方程Cf光柵衍射明條紋的條件是衍射角必須滿足光柵方程單色光照到光柵上時，每一狹縫都要產(chǎn)生衍射，縫與縫之間的光為相干光，發(fā)生干涉。33第33頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.主極大條紋光柵衍射的明條紋稱為主極大條紋，也稱光譜線，k

稱主極大級數(shù)。k=0時,θ

=0，稱中央明條紋；k=1、k=2、…分別為第一級、第二級、…主極大條紋。正、負號表示各級明紋對稱地分布在中央明紋的兩側(cè)。如果入射光由波長不同的光組成,每一波長的光都將產(chǎn)生與其對應(yīng)的又細又亮的明紋，即光柵有色散分光作用。34第34頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月光柵衍射條紋是多個狹縫的衍射光相互干涉形成的。3.譜線的缺級如果某一衍射角

滿足光柵方程,干涉結(jié)果是一主極大明紋。但是，如果

又恰好符合單縫衍射的暗紋條件，其結(jié)果只能是暗紋，因為此方向上單縫衍射的光相消，光強為零?？梢?，光柵衍射譜線存在缺級現(xiàn)象。35第35頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月光柵衍射光柵衍射是衍射與干涉的綜合結(jié)果多縫干涉單縫衍射36第36頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月缺級處同時滿足：光柵明紋條件單縫暗紋條件兩式相除，得例如,當(dāng)b+b′=3b（3:1）,k′=1、2、3、…時，缺級的級數(shù)為k=3、6、9、…。當(dāng)a+b

與縫寬a

成整數(shù)比時,出現(xiàn)缺級現(xiàn)象。37第37頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4.暗紋條件

N

個狹縫的光振幅矢量為這N

個矢量疊加后消失，可用閉合圖形表示。兩相鄰狹縫的光矢量間的相位差：在光柵衍射中，兩主極大條紋之間分布著一些暗條紋，也稱極小。暗條紋是由于在

方向上，各狹縫射出的光因干涉相消形成的。38第38頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月N個矢量構(gòu)成閉合圖形時或式中當(dāng)衍射角滿足上式時，出現(xiàn)暗紋。此處m

不含N，2N

，…。共有N–1個暗紋。若

m

取N，2N

，…，為明紋條件。39第39頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月兩相鄰明紋之間有N-1個暗紋，而相鄰兩個暗紋之間必有一個明紋，可見，在兩主級大明紋之間應(yīng)有N–2個明紋存在。這N–2個明紋的光強遠小于主級大明紋的光強，稱為次明紋。5.次明紋事實上，當(dāng)N

很大時，暗紋和次明紋已連成一片，在兩個主極大明紋之間形成了微亮的暗背景。40第40頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、衍射光譜當(dāng)用白光入射時，中央零級條紋的中心仍為白光，在其兩側(cè)對稱地分布由紫到紅的第一級、第二級等光譜。但從第二級光譜開始,各級條紋發(fā)生重疊。如果入射光是波長不連續(xù)的復(fù)色光，將出現(xiàn)與各波長對應(yīng)的各級線光譜。如汞燈光譜。在光柵常數(shù)a

+

b一定時，波長對衍射條紋的分布有影響，波長越長，條紋越疏。根據(jù)方程41第41頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例1設(shè)計一個平面透射光柵的光柵常數(shù)，使得波長為(430~680)nm的被測光通過光柵時的第一級衍射光譜能夠展開20o

的角范圍。解:由題意知其第一級主明紋要分開20o

，由光柵方程：聯(lián)立解得：因此需要在每厘米內(nèi)大約刻104

條刻痕。42第42頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例2用一塊500條/mm刻痕的光柵，刻痕間距為，觀察波長光譜線。問（1）平行光垂直入射時最多能觀察到幾級光譜線？（2）平行光與光柵法線夾角時入射，最多能觀察到幾級光譜線？解（1）光柵常數(shù)k的可能最大值相應(yīng)于，即故最多能觀察到第3級光譜。43第43頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月又，已知縫寬，由知光柵衍射光譜線2,4,6,…缺級，故實際能看到0、1、3級譜線共5條。（2）光程差44第44頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月由題設(shè)，k的可能最大值相應(yīng)于因此30o斜入射時，可以觀察到5級光譜線。由光柵方程，得45第45頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、X射線在晶體上的衍射X射線是一種波長0.1nm數(shù)量級的電磁波，德國物理學(xué)家倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)。天然晶體可以看作是光柵常數(shù)很小的空間三維衍射光柵。

1912年德國物理學(xué)家勞厄用天然晶體作三維空間光柵，獲得了X射線的衍射圖樣，證明了X射線是一種電磁波，同時也證明了晶體內(nèi)的原子是按一定的間隔，規(guī)則地排列的。1.X射線46第46頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月在感光底片上形成的衍射圖樣中,對稱分布著若干衍射斑點，稱為勞厄斑。

1913年英國物理學(xué)家布喇格父子提出一種簡化了的研究X射線衍射的方法，與勞厄理論結(jié)果一致。鉛版天然晶體乳膠板47第47頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.布喇格公式當(dāng)X射線照射到晶體中的晶格格點時，根椐惠更斯原理，這些格點是新的次波源，將向各個方向發(fā)出次波（衍射波）,即入射波被原子散射了。這些次波是相干波。.................NaC1.......NaCl晶體原子分布模型衍射波的疊加分為兩種情況。

1.同一原子層中各原子所發(fā)出的衍射波的疊加。只有在衍射線與該原子層間的夾角等于掠射角的方向上，衍射光強極大。48第48頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.不同原子層所發(fā)出的衍射波的相干疊加。相鄰兩層反射線的光程差根據(jù)干涉加強，符合下述條件各原子層的反射線將相互加強，為相干極大。上式就是著名的布喇格公式。ABdC入射線散射線49第49頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例3波長為0.154nm的X射線沿硅某原子層系掠入射，當(dāng)掠入射角由0o逐漸增大時，實驗發(fā)現(xiàn)第1次光強極大發(fā)生在掠射角為34.5o處。（1）問該原子層的間距d為多大？（2）在這一實驗中，能否觀察到角度更大的光強極大？解（1）利用布喇格公式并令k=1

（2）為考察是否有比34.5o大的掠射角所對應(yīng)的光強極大,只要看k≥2時,布喇格公式能否滿足。50第50頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月即由于，因此對應(yīng)于這一原子層系，不能有另一光強極大。51第51頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月13.10線偏振光自然光一、線偏振光光矢量只在一個固定平面內(nèi)，并沿一個固定方向振動，稱其為線偏振光或平面偏振光。振動方向與傳播方向所構(gòu)成的平面，稱為振動面。........52第52頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、自然光在與傳播方向垂直的平面內(nèi)，在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等，這樣的光稱為自然光。zyx在垂直傳播方向的平面內(nèi),可將光矢量都分解到兩個互相垂直的方向上。普通光源中包含了大量各自獨立發(fā)光的原子或分子,它們發(fā)出的光波中，具有各個方向的光矢量。zyx.......x........x53第53頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月13.11偏振片的起偏與檢偏馬呂斯定律一、起偏和檢偏從自然光獲得線偏振光的過程稱起偏,獲得線偏振光的器件或裝置稱起偏器,也稱偏振片。自然光透過偏振片后，變?yōu)榫€偏振光。透光方向稱為偏振化方向或起偏方向。偏振片可以作起偏器,也可作檢偏器。54第54頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月AB全部通過最亮AB全部不能通過最暗55第55頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、馬呂斯定律入射線偏振光的光矢量振幅為E0,光強為I0,透過檢偏器后,透射光的光矢量為：式中α是線偏振光的光矢量振動方向與檢偏器偏振化方向的夾角。光強為：—馬呂斯定律αO56第56頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)α=0,或α=π時,I=I0

,光強最大。當(dāng)α=π/2或α=3π/2時，I=0

，光強為零。一束光強為I0

的自然光透過檢偏器后,透射光的光強為：

??????57第57頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例1一束自然光入射到相互重疊的四塊偏振片上，每塊偏振片的偏振化方向相對前面一塊偏振片沿順時針轉(zhuǎn)過32o角,問入射光中有百分之幾透過這組偏振片？

解設(shè)入射光的強度為I0，透過四塊偏振片后的光強分別為I1、I2、I3和I4。58第58頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月入射光的21%能透過偏振片組。59第59頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例2兩個偏振片，當(dāng)它們的偏振化方向夾角為30o時,一束單色自然光穿過它們后光強為I

1；當(dāng)它們的偏振化方向之間夾角為60o

時,另一束單色自然光穿過它們后光強為I2;且I1=I2。解設(shè)兩束單色自然光的強度分別為I10

、I20

,它們透過起偏器后光強度減為原來的一半,分別為I10/2和I20/2。