Ch3光波的衍射ppt課件.ppt

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1、衍射是光波傳播過程中的一種基本現(xiàn)象。17世紀(jì)中葉，意大利學(xué)者格里馬策首先發(fā)現(xiàn):當(dāng)光在傳播途徑中遇到障礙物(如小孔或細(xì)棒)時(shí)，不再遵循直線傳播規(guī)律，一部分光會(huì)“繞”過障礙物，射向陰影區(qū)域，使得障礙物的投影邊緣模糊，甚至出現(xiàn)明暗條紋。衍射定義：光波在傳播過程中，由于受到限制(即空間調(diào)制)時(shí)所發(fā)生的不是折射和反射的影響而偏離直線傳播規(guī)律、并在幾何陰影區(qū)有強(qiáng)度起伏的現(xiàn)象。衍射光強(qiáng)的計(jì)算與衍射的物理過程。§3.1概述衍射基本理論要解決的問題是：觀察屏上的光強(qiáng)分布。衍射過程的三個(gè)子過程即：(1)光源發(fā)出的光波，在自由空間傳播一定距離，到達(dá)衍射屏的過程。(2)衍射屏對(duì)人射光波的限制(或調(diào)制)過程。(3)

2、離開衍射屏的光波在自由空間傳播一定距離，到達(dá)觀察屏的過程。圖3-1-1平行光小孔衍射光源小孔光源像面光源大孔徑面光源像ABB'A'圖3-1-2多光束等傾干涉衍射特點(diǎn)：在光源的幾何像之外，由于干涉?光強(qiáng)再分布?衍射園環(huán)。干涉特點(diǎn)：在面光源幾何像之內(nèi)，由于干涉?光強(qiáng)再分布?干涉園環(huán)結(jié)論：干涉：符合直線傳播規(guī)律，干涉條紋出現(xiàn)在幾何像范圍內(nèi)。衍射：偏離直線傳播規(guī)律，衍射條紋出現(xiàn)在幾何像范圍外。衍射的分類：平行光衍射：入射、衍射光都是平行光，即Fraunhofer衍射（遠(yuǎn)場(chǎng)衍射）。衍射場(chǎng)在第二物鏡后焦面。2.非平行光衍射：入射、衍射光不是平行光，即Fresnel衍射（近場(chǎng)衍射）。衍射場(chǎng)在衍射屏后近處

3、入射平行光衍射衍射光非平行光衍射衍射光圖3-1-3平行光與非平行光衍射§3.2衍射的基本理論圖3-2-1　水波的衍射圖3-2-2　激光的單縫衍射一、惠更斯—菲涅耳原理（Huggens-Fresnel）任一時(shí)刻，波前上每一點(diǎn)均可看成新的子波源，下一時(shí)刻波前是這些子波的公切面諸子波來自同一波前，所以相干。在其后任一地點(diǎn)的光振動(dòng)，是所有子波疊加的結(jié)果。圖3-2-3惠更斯波前作圖法惠更斯原理加干涉原理稱為惠更斯-菲涅耳原理。它是解決衍射問題的基礎(chǔ)。圖3-2-4　惠更斯-菲涅耳原理的幾何圖示惠更斯-菲涅耳原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式二、標(biāo)量波衍射理論基礎(chǔ)（基爾霍夫衍射公式）1.單色標(biāo)量光波：2.無空間電荷、電流

4、3.各向同性均勻介質(zhì)格林公式場(chǎng)方程亥姆霍茲方程1.亥姆霍茲方程2.格林定理3.亥姆霍茲和基爾霍夫積分定理（一）基爾霍夫積分定理圖3-2-5積分曲面觀察點(diǎn)P0,問題是當(dāng)已知閉曲面S上的波動(dòng)后，如何求解P0點(diǎn)的值。（1）格林公式的簡(jiǎn)化（2）格林函數(shù)的選擇亥姆霍茲-基爾霍夫積分定理。它把任意一點(diǎn)上的場(chǎng)，用包圍這一點(diǎn)的任意封閉曲面上的波動(dòng)的邊值U和表示出來，一旦知道U和，就能計(jì)算出任一點(diǎn)處的場(chǎng)。（3）亥姆霍茲基爾霍夫積分定理Helmholtz-Kirchhoff（二）平面屏衍射的基爾霍夫理論圖3-2-6平面屏衍射的基耳霍夫理論索末菲輻射條件上的積分的貢獻(xiàn)為零基爾霍夫條件：（1）在開孔上，場(chǎng)分布U及

5、其導(dǎo)數(shù)跟沒有屏?xí)r完全相同（這一假定是不嚴(yán)格的，屏幕的存在必然會(huì)在一定程度上干擾上的場(chǎng)，但在孔徑比波長(zhǎng)大許多時(shí)，干擾可以略去不計(jì)）。（2）在除以外，屏幕背面上的場(chǎng)分布U及恒為零（這一假定也不嚴(yán)格，上的場(chǎng)總要擴(kuò)展到幕后幾個(gè)波長(zhǎng)的距離。這一假定使得最后推得的公式，在靠近處是不成立的。但在孔徑比波長(zhǎng)大許多時(shí)，干擾可以略去）P1P0P2D設(shè)開孔由位于點(diǎn)上的單色點(diǎn)光源照明，圖3-2-7點(diǎn)光源照明平面屏幕菲涅耳-基爾霍夫衍射公式。①單個(gè)單色點(diǎn)光源照明；②衍射孔徑比波長(zhǎng)大得多；③觀察點(diǎn)不能太靠近屏幕或開孔P1P0P2WW′W′θ圖3-2-8單色點(diǎn)光源的衍射菲涅耳理論的傾斜因子也可推廣到非單色、非點(diǎn)光源（一

6、）衍射公式初步近似三、Fraunhofer和Fresnel衍射圖3-2-9衍射公式的近似<<1，略去?Fresnel衍射<<1，略去?Fraunhofer衍射（二）菲涅耳與夫朗和菲近似例：Fresnel衍射：Fraunhofer衍射：Fresnel衍射區(qū)Fraunhofer衍射區(qū)2mm1cm~5mFraunhofer近似含義：Fraunhofer衍射場(chǎng)分布U(x1,y1)是衍射屏光場(chǎng)分布U(x0,y0)本身的Fourier變換§3-3Fraunhoff單縫衍射圖3-3-1單縫衍射的光程一、單縫衍射光強(qiáng)的計(jì)算圖3-3-2單縫衍射的實(shí)驗(yàn)裝置二、單縫衍射的光強(qiáng)分布1、極值a.極小值b.主極大c.

7、次極大：位于兩個(gè)相鄰極小之間圖3-3-3單縫衍射的光強(qiáng)分布２、條紋寬度及影響因素3、單縫衍射的物理意義1）單色平面光波不存在；2）增大口徑可壓縮發(fā)散角；3）幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)波長(zhǎng)趨于0的近似；4）定性理解測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系；5）經(jīng)典力學(xué)是波動(dòng)力學(xué)德布羅意波長(zhǎng)趨于0的近似；§3-4Fraunhofer菲圓孔衍射圖3-4-1計(jì)算夫瑯和菲圓孔衍射貝塞耳函數(shù)1.00.80.6I/I00460.40.2圖3-4-2夫瑯和菲圓孔衍射的光強(qiáng)分