《第12章光学 (3)优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第12章光学 (3)优秀PPT.ppt（76页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第12章光学(3)1现在学习的是第1页，共76页第第1212章章 光光 学学12.6 光的衍射光的衍射 12.7 单缝的夫琅禾费衍射单缝的夫琅禾费衍射12.8 光栅衍射光栅衍射12.9 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领12.10 X射线的衍射射线的衍射2现在学习的是第2页，共76页衍射现象衍射屏衍射屏(障碍物障碍物)3现在学习的是第3页，共76页一、衍射现象分类一、衍射现象分类衍射：光线偏离原来直线传播的方向衍射：光线偏离原来直线传播的方向 进入几何光学阴影区进入几何光学阴影区 12.6 光的衍射光的衍射 按照光源、衍射物、观察屏的相对距离分类按照光源、衍射物、观察屏的相对距离分类2.2.
2、夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射1.1.菲涅耳衍射菲涅耳衍射4现在学习的是第4页，共76页2.2.夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射光源衍射物 观察屏衍射花样1.1.菲涅耳衍射菲涅耳衍射5现在学习的是第5页，共76页条件实现6现在学习的是第6页，共76页几何投影区几何投影区菲涅耳衍射区菲涅耳衍射区夫朗禾费衍夫朗禾费衍射区射区图示光通过小孔的衍射图示光通过小孔的衍射结论结论:几何光学是波动光学的近似几何光学是波动光学的近似7现在学习的是第7页，共76页二、惠更斯二、惠更斯 -菲涅耳原理菲涅耳原理(1)(1)波传到的任意点都是子波的波源波传到的任意点都是子波的波源(2)(2)各子波在空间各点进行相干叠加各子波在空间
3、各点进行相干叠加 概括为：概括为：波面上各点均是相干子波源波面上各点均是相干子波源 惠菲原理提供了用干涉解释衍射的基础惠菲原理提供了用干涉解释衍射的基础 菲涅耳发展了惠更斯原理菲涅耳发展了惠更斯原理 从而深入认识了衍射现象从而深入认识了衍射现象8现在学习的是第8页，共76页A.J.菲涅耳菲涅耳法国科学家菲涅耳法国科学家菲涅耳（1788-1827）利用惠利用惠-菲原理可以定菲原理可以定量地计算出不同衍射物量地计算出不同衍射物产生的衍射花样中的光产生的衍射花样中的光强分布强分布现在学习的是第9页，共76页一、实验装置及花样一、实验装置及花样单缝处波面看作无穷多个相干波源单缝处波面看作无穷多个相干波
4、源P P点是点是 (无穷无穷)多光束干涉的结果多光束干涉的结果中央亮纹中央亮纹负一级负一级正一级正一级12.7 单缝的夫琅禾费衍射单缝的夫琅禾费衍射10现在学习的是第10页，共76页单缝衍射夫夫 琅琅 禾禾 费费 单单 缝缝 衍衍 射射 基基 本本 光光 路路11现在学习的是第11页，共76页衍射图样12现在学习的是第12页，共76页中央明纹中央明纹主焦点处主焦点处各波带在各波带在P点的振幅近似相等点的振幅近似相等二、用旋转矢量法求解强度分布二、用旋转矢量法求解强度分布将单缝处的波阵面分成将单缝处的波阵面分成N条条等宽度的波带等宽度的波带13现在学习的是第13页，共76页P点处点处相邻相邻波带
5、波带光线的相位差光线的相位差边缘光线的相位差边缘光线的相位差14现在学习的是第14页，共76页圆心角是圆心角是光强光强15现在学习的是第15页，共76页光强光强（1）主极大处：）主极大处：（2）极小处：）极小处：暗纹暗纹16现在学习的是第16页，共76页 中央明中央明纹(中心中心)三、菲涅耳半波带法三、菲涅耳半波带法相邻半波带的相对应点相邻半波带的相对应点 光程差均是光程差均是 /21、边缘光线的光边缘光线的光程差程差17现在学习的是第17页，共76页 当当 时，可可将将缝分分为两两个个“半波半波带”.a12半波带半波带半波带半波带12/2/2半波带半波带半波带半波带1212 两个两个“半波带
6、半波带”上上各对子波各对子波1，1、2，2 的的光程差均为光程差均为 ，所以，所以 P 处干涉相消形成暗纹。处干涉相消形成暗纹。18现在学习的是第18页，共76页 当当 时，可可将将缝分分成成三个三个“半波半波带”P处近似近似为明明纹中心中心a/2/2 当当 时,可可将将缝分分成成四四个个“半波半波带”a/2/2P处形成暗形成暗纹。半波带数目半波带数目M19现在学习的是第19页，共76页暗暗纹明明纹(中心中心)中央明中央明纹(中心中心)上述暗上述暗纹和和中央明中央明纹(中心中心)位置是准确的，位置是准确的，其余明其余明纹中心的位置中心的位置较上稍有偏离。上稍有偏离。结论：结论：分成偶数个半波带
7、为暗纹。分成偶数个半波带为暗纹。分成奇数个半波带为明纹。分成奇数个半波带为明纹。20现在学习的是第20页，共76页2、衍射、衍射条条纹的情况的情况（1 1）中央明）中央明纹时，角角宽度度线宽度度xIox1x2x0 f 121现在学习的是第21页，共76页（2 2）其他明其他明纹(次极大次极大)（3 3）波长对条纹宽度的影响）波长对条纹宽度的影响 （4 4）缝宽变化化对条条纹的影响的影响波波长越越长，条，条纹宽度越度越宽缝宽越小，条越小，条纹宽度越度越宽22现在学习的是第22页，共76页波长因素缝宽一定缝宽一定,波长越长波长越长,则各级衍射角越大则各级衍射角越大,中央明纹越宽中央明纹越宽.23现
8、在学习的是第23页，共76页缝宽因素波长一定波长一定,缝宽越窄缝宽越窄,衍射现象越显著衍射现象越显著.24现在学习的是第24页，共76页例例题1.1.已已知知：一一雷雷达达位位于于路路边d=15m处，射射束束与与公公路路成成15角角，天天线宽度度a=0.20m，射射束束波波长为为 30mm。求：求：该雷达雷达监视范范围内公路内公路长L=?daL L1 1 150解：将雷达波束看成是解：将雷达波束看成是单缝衍射的衍射的0级明明纹由由有有25现在学习的是第25页，共76页如如图：daL L1 1 15026现在学习的是第26页，共76页例题例题2.在单缝夫琅和费衍射实验中，屏上第三级在单缝夫琅和费
9、衍射实验中，屏上第三级暗纹对应的单缝处波面可分为暗纹对应的单缝处波面可分为 个半波带；个半波带；若狭缝宽缩小一半，原来第三级暗纹处将是第若狭缝宽缩小一半，原来第三级暗纹处将是第 级级 纹。纹。解解（1）是是 k=1 级明纹。级明纹。（2）作业作业12.2712.2912.3027现在学习的是第27页，共76页光栅光栅是由大量的等宽等间距的平行狭缝是由大量的等宽等间距的平行狭缝 （或反射面）构成的光学元件（或反射面）构成的光学元件 广义：具有空间周期性的衍射屏广义：具有空间周期性的衍射屏d d透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅d d光栅光栅类型：类型：12.8 光光 栅栅 衍衍 射射28现在学习的
10、是第28页，共76页一、光栅的夫琅禾费衍射一、光栅的夫琅禾费衍射光栅常数为光栅常数为 1 1、多光束干涉、多光束干涉每条缝作为一个每条缝作为一个集体集体提供提供一光线一光线进行进行多光束干涉多光束干涉光栅方程光栅方程29现在学习的是第29页，共76页在分波面法的多光束干涉中在分波面法的多光束干涉中没考虑单缝的衍射影响没考虑单缝的衍射影响得到的主极大强度与衍射角无关得到的主极大强度与衍射角无关全与全与 =0=0处主极大强度相等处主极大强度相等30现在学习的是第30页，共76页0/d-(/d)-2(/d)2/dII0sin N=4光光强曲曲线/4d-(/4d)结论：结论：相邻两个主极大明纹之间共有
11、（相邻两个主极大明纹之间共有（N-1）个暗点；有（）个暗点；有（N-2）个次极大；这（）个次极大；这（N-1)个暗点把相邻两个主极大之间的空间个暗点把相邻两个主极大之间的空间分成分成N等份，其中主极大对应的明纹宽度占两份，其余各次极等份，其中主极大对应的明纹宽度占两份，其余各次极大明纹宽度占（大明纹宽度占（N-2）份。）份。因此，因此，N越大，各主极大对应的明纹越细窄明亮，相邻越大，各主极大对应的明纹越细窄明亮，相邻两个主极大明纹之间有一个宽而稍暗的由次极大构成的背景。两个主极大明纹之间有一个宽而稍暗的由次极大构成的背景。31现在学习的是第31页，共76页2 2、单缝衍射对光栅多光束干涉结果的
12、修正、单缝衍射对光栅多光束干涉结果的修正考虑单缝衍射影响后考虑单缝衍射影响后光光栅夫琅禾夫琅禾费衍射的光衍射的光强公式公式单缝中央主中央主极大光极大光强单缝衍射因子衍射因子多光束干涉多光束干涉因子因子32现在学习的是第32页，共76页考虑了单缝衍射后不同衍射角处考虑了单缝衍射后不同衍射角处的主极大强度不同的主极大强度不同33现在学习的是第33页，共76页二、光栅衍射强度分布二、光栅衍射强度分布(1)(1)主极大位置主极大位置 满足的光程差公式是满足的光程差公式是(2)(2)极小极小 次极大位置次极大位置 满足的光程差公式是满足的光程差公式是(3)(3)主极大的强度由单缝衍射进行了调制主极大的强
13、度由单缝衍射进行了调制光栅方程光栅方程34现在学习的是第34页，共76页三、主极大的缺级三、主极大的缺级由于单缝衍射满足极小（暗纹）由于单缝衍射满足极小（暗纹）所以使得这一级主极大无法出现所以使得这一级主极大无法出现这一现象叫主极大缺级这一现象叫主极大缺级如果某主极大的位置如果某主极大的位置 同时又是单缝衍射极小位置同时又是单缝衍射极小位置 则该衍射角同时满足两个光程差公式则该衍射角同时满足两个光程差公式结果结果:和和35现在学习的是第35页，共76页缺级满足关系缺级满足关系从从得得和和36现在学习的是第36页，共76页缺级缺级能看出缺哪些级次吗能看出缺哪些级次吗?d/a 是多少是多少?现在学
14、习的是第37页，共76页例题例题3.用焦距为用焦距为2m的透镜把光会聚在屏幕上，用的透镜把光会聚在屏幕上，用两种光入射光栅。光的波长分别为两种光入射光栅。光的波长分别为520nm和和500nm.求这两种光第一级光谱线间的距离。求这两种光第一级光谱线间的距离。解：解：光光栅方程方程 fad几何条件几何条件m=1级明纹在屏上的位置：级明纹在屏上的位置：38现在学习的是第38页，共76页两种光第一级光谱线间的距离为：两种光第一级光谱线间的距离为：39现在学习的是第39页，共76页例题例题4.一平面光栅的光栅常数为一平面光栅的光栅常数为d=6.010-3mm,缝宽缝宽a=1.2 10-3mm.平行单色
15、光垂直射到光栅上，求单缝平行单色光垂直射到光栅上，求单缝衍射中央明纹范围内有几条谱线？衍射中央明纹范围内有几条谱线？解：由单缝衍射暗纹公式解：由单缝衍射暗纹公式时，得中央明纹一半宽度的条件是：时，得中央明纹一半宽度的条件是：由光栅方程由光栅方程40现在学习的是第40页，共76页依题意，有依题意，有可见，光栅衍射条纹第五级缺级。可见，光栅衍射条纹第五级缺级。单缝衍射中央明纹范围内有单缝衍射中央明纹范围内有9条谱线条谱线41现在学习的是第41页，共76页四、其他衍射现象四、其他衍射现象圆孔的夫琅禾费衍射圆孔的夫琅禾费衍射 L衍射屏衍射屏观察屏观察屏中央亮斑中央亮斑(爱里斑爱里斑)f 1圆孔孔径为圆
16、孔孔径为D42现在学习的是第42页，共76页相相对对光光强曲线强曲线1.22(/D)sin 1I/I00爱里斑爱里斑第一级极小第一级极小线半径线半径实验规律实验规律角半径角半径作业：作业：12.32 12.33 12.3443现在学习的是第43页，共76页光栅是一个很好的分光元件光栅是一个很好的分光元件 即色散元件即色散元件 复色光复色光入射入射 形成光谱形成光谱 6328 He-Ne Laser5893 Na lamp55005500 人眼敏感的颜色人眼敏感的颜色一、光栅的分辨本领一、光栅的分辨本领12.9 光学仪器的分辨本领光学仪器的分辨本领44现在学习的是第44页，共76页光栅光谱 对同
17、级明纹，波长较长的光波衍射角较大对同级明纹，波长较长的光波衍射角较大。白光或复色光入射，高级次光谱会相互重叠。白光或复色光入射，高级次光谱会相互重叠。45现在学习的是第45页，共76页可看到几级完整的光谱可看到几级完整的光谱?色散本领色散本领 角角色散本领色散本领 线线色散本领色散本领46现在学习的是第46页，共76页两边两边微分微分小小级次高级次高如何得到较大的如何得到较大的 D 呢？呢？斜斜入射可提高最高级的级次入射可提高最高级的级次屏幕上的主极大总条数不变屏幕上的主极大总条数不变47现在学习的是第47页，共76页光栅的分辨本领光栅的分辨本领 分辨本领分辨本领:能否分辨出能否分辨出两条不同
18、波长的两条不同波长的主极大主极大 首先首先 该元件色散本领必须大该元件色散本领必须大(D 大大)其次其次 能分辨出是两种波长的主极大能分辨出是两种波长的主极大 (考虑考虑主极大的角宽度主极大的角宽度)48现在学习的是第48页，共76页瑞利判据瑞利判据色散的角宽度色散的角宽度 等于等于主极大的半角宽度主极大的半角宽度可分辨可分辨刚好能刚好能分辨分辨49现在学习的是第49页，共76页某一级主极大对应衍射角某一级主极大对应衍射角 相邻的极小对应衍射角相邻的极小对应衍射角 主极大半角宽度是主极大半角宽度是 主极大主极大半半角宽度角宽度对对m级明纹级明纹:对相邻的暗纹：对相邻的暗纹：50现在学习的是第5
19、0页，共76页两式相减，得两式相减，得而而瑞利判据瑞利判据51现在学习的是第51页，共76页定义定义 分辨本领分辨本领欲增大分辨本领欲增大分辨本领 Nm斜入射可提高级次斜入射可提高级次光栅分辩本领光栅分辩本领52现在学习的是第52页，共76页 例题例题5.5.宽宽5 5厘米的光栅厘米的光栅,每毫米每毫米12001200条条.求：分辨本领求：分辨本领 R 解：解：可分辨出附近可分辨出附近53现在学习的是第53页，共76页二、成像光学仪器的分辨本领二、成像光学仪器的分辨本领 光学仪器均有口径光学仪器均有口径 成像点实际上是成像点实际上是圆孔的圆孔的一个一个夫琅和费衍射斑夫琅和费衍射斑(相当于圆孔相
20、当于圆孔)54现在学习的是第54页，共76页恰好等于恰好等于 时时,目标中的两个物点恰好能分辨目标中的两个物点恰好能分辨.定义定义 最小分辨角最小分辨角55现在学习的是第55页，共76页例如例如 瞳孔瞳孔可分辨可分辨定义定义 分辨本领分辨本领最小分辨角最小分辨角56现在学习的是第56页，共76页作业：作业：12.36 12.38 12.39 12.4057现在学习的是第57页，共76页分辨星星 如果用望远镜观如果用望远镜观察到在视场中靠得察到在视场中靠得很近的四颗星星恰很近的四颗星星恰能被分辨。能被分辨。若将该望远镜的若将该望远镜的物镜孔径限制得更物镜孔径限制得更小，则可能分辨不小，则可能分辨
21、不出这是四颗星星。出这是四颗星星。58现在学习的是第58页，共76页12.10 X射线的衍射射线的衍射 18951895年年 伦琴伦琴(Roentgen)发现发现波长范围：波长范围：1010埃埃 0.010.01埃埃欲观察其衍射现象欲观察其衍射现象则衍射线度应与其波长差不多则衍射线度应与其波长差不多晶体的晶格常数恰是这样的线度晶体的晶格常数恰是这样的线度59现在学习的是第59页，共76页M.K.Rntgen伦琴伦琴德国物理学家德国物理学家(1845-1923)1901年获首届诺年获首届诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖现在学习的是第60页，共76页晶体晶体底底片片铅铅屏屏X 射射线线管管现在学习的是第
22、61页，共76页伦琴夫人的手伦琴夫人的手X照片照片戒指戒指62现在学习的是第62页，共76页劳厄劳厄M.von.Laue德国物理学家德国物理学家(1879-1960)1914年获诺贝尔年获诺贝尔物理学奖物理学奖现在学习的是第63页，共76页劳厄 X 射线发现射线发现1717年后，于年后，于19121912年，德国物理学年，德国物理学家劳厄找到了家劳厄找到了 X 射线具有波动本性的最有力的实射线具有波动本性的最有力的实验证据。验证据。发现并记录了发现并记录了 X 射线通过晶体时发生的衍射线通过晶体时发生的衍射现象。射现象。由此，由此，X射线被证实是一种频率很高（波长很射线被证实是一种频率很高（波
23、长很短）的电磁波。短）的电磁波。64现在学习的是第64页，共76页劳厄斑劳厄的劳厄的 X 射线衍射实验原理图射线衍射实验原理图 晶体中有规则排列的原子，可看作一个立体的光栅。晶体中有规则排列的原子，可看作一个立体的光栅。原子的线度和间距大约为原子的线度和间距大约为10 -10 m 数量级，根据前述可见光的光栅衍射基本原理推断，只要数量级，根据前述可见光的光栅衍射基本原理推断，只要 入射入射X 射线的波长射线的波长与此数量级相当或更小些，就可能获得衍射现象。与此数量级相当或更小些，就可能获得衍射现象。衍射斑纹（劳 厄 斑）晶体X射线（硫化铜）记记录录干干板板65现在学习的是第65页，共76页布喇
24、格父子布喇格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)现在学习的是第66页，共76页 19121912年，英国物理学家布喇格父子提出年，英国物理学家布喇格父子提出 X 射线在晶体上衍射的一种简明的理论解释射线在晶体上衍射的一种简明的理论解释,即即 布布喇格定律喇格定律。19151915年布喇格父子获诺贝尔物理学奖，小布年布喇格父子获诺贝尔物理学奖，小布喇格当年喇格当年2525岁，是历届诺贝尔奖最年轻的得岁，是历届诺贝尔奖最年轻的得主。主。67现在学习的是第67页，共76页点阵的散射波氯化钠晶体氯离子钠离子ClNa晶体结构中的三维空间点阵晶体中的原子或离子X X 射射 线线 原子或离子中的电
25、子在原子或离子中的电子在外场作用下做受迫振动。外场作用下做受迫振动。晶体点阵晶体点阵中的每一阵中的每一阵点可看作一点可看作一个新的波源，个新的波源，向外辐射与向外辐射与入射的入射的 X 射射线同频率的线同频率的电磁波，称电磁波，称为散射波。为散射波。68现在学习的是第68页，共76页散射波干涉X 射 线 原子或离子中的电子在外场作用下做受迫振动。晶体点阵中的每一阵点可看作一个新的波源，向外辐射与入射的 X 射线同频率的电磁波，称为散射波。X 射 线 晶体点阵的散射波可以相互干涉。面中点阵散射波干涉面间点阵散射波干涉包括和69现在学习的是第69页，共76页零级衍射谱入射角掠射角镜面反射方向平面法
26、线入射X射线任一平面上的点阵任一平面上的点阵散射波的干涉任一平面上的点阵散射波的干涉干涉结果总是在镜面反射方向上出现最大光强干涉结果总是在镜面反射方向上出现最大光强称为该平面的零级衍射谱称为该平面的零级衍射谱70现在学习的是第70页，共76页面间散射波干涉面间点阵散射波的干涉面间点阵散射波的干涉面1面2面371现在学习的是第71页，共76页布喇格定律X射线入射角入射角掠射角掠射角求出相邻晶面距求出相邻晶面距离为离为 d 的两反射的两反射光相长干涉条件光相长干涉条件层间两反射层间两反射光的光程差光的光程差面间点阵散射波的干涉面间点阵散射波的干涉布喇格定律布喇格定律相长干涉得相长干涉得亮点的条件亮
27、点的条件或或布喇格条件布喇格条件72现在学习的是第72页，共76页公式应用 根据晶体中原子有规则的排列，沿不同的方向，可根据晶体中原子有规则的排列，沿不同的方向，可划分出不同间距划分出不同间距 d 的晶面。的晶面。对任何一种方向的晶面，只要满足布喇格公式，则对任何一种方向的晶面，只要满足布喇格公式，则在该晶面的反射方向上，将会发生散射光的相长干涉。在该晶面的反射方向上，将会发生散射光的相长干涉。73现在学习的是第73页，共76页衍射图样举例NaCl 单晶的X 射线衍射斑点石英(SiO2)的X 射线衍射斑点74现在学习的是第74页，共76页DNA的衍射图DNA结构图DNA的X射线衍射图75现在学习的是第75页，共76页应用：应用：晶体结构分析晶体结构分析 光谱分析光谱分析作业作业:12.43若已知晶体结构若已知晶体结构 可通过测可通过测 求入射求入射X射线的波长及波谱射线的波长及波谱若已入射若已入射X射线波长射线波长 可通过测可通过测 求晶面间距及晶体结构求晶面间距及晶体结构布喇格公式布喇格公式76现在学习的是第76页，共76页