醫(yī)學(xué)物理8衍射07

一、光的衍射現(xiàn)象第二節(jié)光的衍射光在傳播過程中遇到障礙物(其線度與光的波長相近)，能夠繞過障礙物的邊緣前進(jìn)，這種偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射(diffractionoflight)。1圓孔衍射單縫衍射*光的衍射現(xiàn)象*2衍射的分類菲涅耳衍射：光源和接收屏距離障礙物為有限遠(yuǎn)。夫瑯禾費衍射：光源和接收屏距離障礙物為無限遠(yuǎn)。光源障礙物光源障礙物接收屏3二、惠更斯—菲涅耳原理惠更斯（christiaanHuygens1629～1695）菲涅耳（Augustin-JeanFresnel1788~1827）4

介質(zhì)中波動傳播到的各點都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意時刻，這些子波的包絡(luò)就是新的波前.平面波惠更斯原理平面波5惠更斯—菲涅爾原理：波陣面上面元(子波波源)菲涅爾指出從同一波前上各點發(fā)出的子波，經(jīng)傳播而在空間某點相遇時，也將相互疊加而產(chǎn)生干涉.子波在點引起的振動振幅并與有關(guān).：時刻波陣面*6惠更斯理論波陣面上各點都看成是子波波源——能定性解釋光的傳播方向問題菲涅耳補充波場中各點的強度由各子波在該點的相干疊加決定——能定量解釋衍射圖樣中的強度分布7夫瑯禾費(JosephvonFraunhofer)1787—1826三、單縫衍射實驗室實現(xiàn)夫瑯禾費衍射光源障礙物接收屏81裝置和光路衍射角(衍射角diffractionangle)92菲涅爾半波帶法把單縫的波面分成若干個波帶,各波帶面積相等，相鄰波帶對應(yīng)點發(fā)出的衍射角為

的光，到達(dá)P點的光程差為

/2aθ2BA半波帶半波帶12′λ/2半波帶半波帶121′2′當(dāng)時，可將縫分為兩個“半波帶”,兩個“半波帶”上發(fā)的光在P處干涉相消形成暗紋。10當(dāng)，可將縫分成三個“半波帶”,P處近似為明紋中心aλ/2θBAaλ/2BAθ當(dāng)時,可將縫分成四個“半波帶”,P處形成暗紋。半波帶的個數(shù)與衍射角有關(guān)，取決于單縫兩邊緣處衍射光線的光程差113衍射圖樣分布規(guī)律（暗紋）（明紋）（介于明暗之間）中央明紋中心01（3）1（2）2（4）個半波帶個半波帶124光強分布（暗紋）（明紋）135討論（1）第一暗紋距中心的位置第一暗紋的衍射角（暗紋）（明紋）14（3）條紋寬度（相鄰條紋間距）除了中央明紋外的其它明紋、暗紋的寬度（2）中央明紋（的兩暗紋間）中央明紋的寬度（暗紋）（明紋）15

越大，

1越大，衍射效應(yīng)越明顯.入射波長變化，衍射效應(yīng)如何變化?16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。17單縫寬度變化，中央明紋寬度如何變化？18一定，越大，越大，衍射效應(yīng)越明顯.光直線傳播a

增大，

減小一定衍射最大第一暗紋的衍射角a

減小，

增大幾何光學(xué)是波動光學(xué)在a

時的極限情況。19

例1

設(shè)有一單色平面波斜射到寬度為a的單縫上（如圖），求各級暗紋的衍射角

.解由暗紋條件20四、圓孔衍射光學(xué)儀器的分辨率愛里斑(明紋)第一級暗紋(愛里斑)的角位置對于很小的

有愛里斑的直徑21物點經(jīng)透鏡像斑物(物點集合)經(jīng)透鏡像(像斑集合)光通過光學(xué)系統(tǒng)中的光闌、透鏡等限制光波傳播的光學(xué)元件時，呈現(xiàn)衍射圖樣?！苌湎拗屏斯鈱W(xué)儀器的分辨能力瑞利判據(jù)(Rayleighcriterion)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。剛能分辨22可以分辨不可分辨剛可分辨23剛能分辨最小分辨角(angleofresolution)24在正常照明下，人眼瞳孔直徑約為3mm，對

=550nm的光θ0≈1’,可分辨約9m遠(yuǎn)處相距2mm的兩個點顯微鏡：D不會很大，通過降低波長而提高分辨能力。電子

約為10–3nm，最小分辨距離可達(dá)10–2nm電子顯微鏡分辨本領(lǐng)很高

l0n=1n'=1.336

0L121'2'25電子顯微鏡下的光盤表面顯微鏡下的衣服表面26世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡：D=8m

建在夏威夷山頂，1999年建成世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡：

D=305m，建在波多黎各島。能探測射到整個地球表面僅10-12

W

的功率，也可探測引力波。望遠(yuǎn)鏡：

不可選擇，通過增加D而提高分辨能力27

1990年發(fā)射的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的凹面物鏡的直徑為2.4m，最小分辨角，在大氣層外

615km

高空繞地運行,可觀察130億光年遠(yuǎn)的太空深處,發(fā)現(xiàn)了500億個星系.28光柵是現(xiàn)代科技中常用的重要光學(xué)元件。光通過光柵衍射可以產(chǎn)生明亮尖銳的亮紋，復(fù)色光入射可產(chǎn)生光譜，用以進(jìn)行光譜分析。五、衍射光柵光柵光譜⑴光柵(grating)—大量等寬等間距的平行狹縫(或反射面)構(gòu)成的光學(xué)元件。d=a+b

光柵常數(shù)⑵光柵常數(shù)二維光柵衍射圖樣1光柵292光柵的夫瑯禾費衍射

d=a+b光柵常量

fdsin

OP光柵衍射圖樣——在幾乎黑暗的背景上形成一系列又細(xì)又亮的明條紋.30設(shè)雙縫的每個縫寬均為

a，在夫瑯禾費衍射下，每個縫的衍射圖樣位置是相重疊的。3光柵衍射條紋的形成

ad

f透鏡I衍射光相干疊加

31sin

0I單I0單-2-112(

/a)單縫衍射光強曲線sin

04-8-48(

/d)多光束干涉光強曲線IN2I0單048-4-8sin

(

/d)單縫衍射輪廓線光柵衍射光強曲線衍射每個縫在衍射角相同的地方有相同的衍射條紋干涉縫與縫間的衍射光將產(chǎn)生干涉32光柵衍射條紋是衍射和干涉的總效果干涉條紋各級主極大的強度不再相等，而是受到了衍射的調(diào)制。33光柵常數(shù)衍射角4光柵方程345明紋缺級現(xiàn)象衍射暗紋位置干涉明紋缺級條件干涉明紋位置I3級0級1級-1級-3級缺2級缺-2級單縫衍射光強0對應(yīng)某些

值按干涉應(yīng)出現(xiàn)某些級的主極大，由于單縫衍射的調(diào)制而造成這些主極大缺失——缺級現(xiàn)象356光柵光譜一級光譜二級光譜三級光譜入射光為白光時，不同，不同，按波長分開形成光譜.36例題用一光柵常量d=2×10–6m，縫寬a=1×10–6m的光柵觀察波長=590nm的光譜線。求⑴平行光垂直入射時，最多能觀察到第幾級光譜線？實際能觀察到幾條光譜線？⑵平行光沿i=30°