《光的衍射的基本理论3.1.1-2.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光的衍射的基本理论3.1.1-2.ppt（20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、 工程光学工程光学物理光学物理光学机械电子工程专业重点基础课程机械工程学院光机电一体化研究所（第三章（第三章 光的衍射光的衍射)华南理工大学机械工程学院 本章的主要内容本章的主要内容 3.1 衍射的基本理论 3.2 夫朗和费衍射 3.3 菲涅尔衍射 3.4 衍射的应用 n n介绍基尔克夫标量衍射理论；夫琅和费衍射介绍基尔克夫标量衍射理论；夫琅和费衍射(远场衍远场衍射射)和应用和应用;菲涅尔衍射菲涅尔衍射(近场衍射近场衍射)和应用。和应用。华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论 1.光衍射的概念及衍射现象 3.1.1 光衍射现象 光的衍射(也叫也叫光的绕射),),是
2、指光波在传播过程中遇到障是指光波在传播过程中遇到障碍物时碍物时,所发生的偏离直线传播的现象所发生的偏离直线传播的现象.下面看演示下面看演示:?缝宽缝宽华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论 1.光衍射的概念及衍射现象 3.1.1 光衍射现象 光可绕过障碍物前进，并在障碍物后方形成光可绕过障碍物前进，并在障碍物后方形成明暗相间的衍射条纹。下面见常见的衍射现象。下面见常见的衍射现象.华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论 1.光衍射的概念及衍射现象 3.1.1 光衍射衍射现象 下面是下面是圆孔的衍射圆孔的衍射现象现象.圆孔衍射现象圆孔衍射
3、现象华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论 2.衍射与干涉的不同 3.1.1 光衍射现象 光的衍射现象与光的干涉现象就其实质来讲，都是相干光波叠加引起的光强的重新分布，不同的是，干涉是有限个相干光波的叠加，衍射是无限个相干光波的叠加。干涉衍射华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论 3.光衍射的分类 3.1.1 光衍射现象 光的衍射分为菲涅尔衍射与夫朗和费衍射。菲涅耳衍射夫朗和费衍射有限远无限远入射光为非平行光衍射光为非平行光入射光为平行光衍射光为平行光（利用透镜实现）华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论
4、 1.惠更斯原理 3.1.2 惠更斯-菲涅尔原理 惠更斯原理是最早描述光波传播过程的一个原理。这个原理指出：在光波场中，某一时刻t的光波波前上每一点都是一个子波波源，发射于波。在新的t+t时刻的波前是这些子波的包迹面，波阵面的法线方向就是该波的传播方向。惠更斯原理没有给出新波前上光波振幅，无法说明衍射现象。华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论 2.惠更斯-菲涅尔原理 3.1.2 惠更斯-菲涅尔原理 惠更斯-菲涅尔原理内容为:次波来自同一光源,应该相干,因而波阵面上每一点的光振动应该是光源和该点之间任一波面(如)上各点发出的次波波场的叠加结果.华南理工大学机械工程
5、学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论 2.惠更斯-菲涅尔原理 3.1.2 惠更斯-菲涅尔原理 如图所示的一个单色光源S对于空间任意点P的作用，可以看作是S和P之间任一波面上各点发出的次波在P点相干叠加的结果。假设波面上任意点Q的光场复振幅为:在Q点处取波面元 d,按照菲涅耳假设，面元d发出的子波在P点产生的复振幅正比于面元大小和倾斜因子K()入射波、在面元上产生的复振幅 。K()表示子波的振幅随面元法线与QP的夹角的变化。华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论 2.惠更斯-菲涅尔原理 3.1.2 惠更斯-菲涅尔原理 面元d在P点产生的复振幅可表示为：菲
6、涅耳还假设：ZZ范围内的波面上的面元发出的子波对P点产生的复振幅为:这就是惠更斯菲涅耳公式.注：以后实验证明这个条件有问题华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论3.1.3 菲涅耳基尔霍夫公式 基尔霍夫通过“微分波动方程-场论中的格林定理-电磁场边值条件惠更斯菲涅耳原理较完备的数学表达式”。它表示单色点光源发出的球面波照射到孔径，在后任一点P处产生的光振动的复振幅。这就是菲涅耳基尔霍夫公式式中：l是点源S到上任意一点Q的距离；r是Q点到P点的距离；（n,l）和(n,r)分别是孔径面的法线与l和r方向的夹角。华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的
7、基本理论3.1.3 菲涅耳基尔霍夫公式 比较惠更斯-菲涅尔公式和菲涅耳基尔霍夫公式:-菲涅耳基尔霍夫公式-惠更斯菲涅耳公式.可以得到如下对应关系：华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论3.1.3 菲涅耳基尔霍夫公式惠更斯菲涅耳原理的思想解释：P点的场是由孔径上无穷多个虚设的子波源eikr/r产生的，子波源的复振幅与入射波在该点的复振幅 （Q）和倾斜因子K（）成正比，与波长成反比；并且因子 表明，子波源的振动相位超前于入射波/2。K()表示了子波的振幅在各个方向上是不同的，其值在0与1之间。如果一平行光垂直入射到上，则cos(n,ln,l)1，cos(n,rn,r)
8、=cos.因此,当等于0时，K()1，这说明在波面法线方向上的子波贡献最大。华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论3.1.4 基尔霍夫公式的近似 确定一个特定衍射问题的严格解是很困难的，必须根据实际条件做进一步近似处理。傍轴近似 在一般的光学系统中，对成像起主要作用的是那些与光学系统光轴夹角极小的傍轴光线。对于傍轴光线，开孔的线度和观察屏上的考察范围都远小于开孔到观察屏的距离。因此可作如下近似：cos(n,r)1,K()1；rz1-菲涅耳基尔霍夫公式华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论3.1.4 基尔霍夫公式的近似 注:由于指数中的
9、r所影响的是子波场的相位，r的微小变化都会引起相位很大的变化，所以r未用z1代替。华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论3.1.4 基尔霍夫公式的近似 菲涅耳近似 在孔径平面和观察平面分别取直角坐标系ox1y1和oxy，则：当z1大到满足 时，华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论3.1.4 基尔霍夫公式的近似 菲涅耳近似-近轴近似菲涅耳基尔霍夫公式在菲涅耳近似下，P点的光场复振幅为 -这就是菲涅耳衍射计算公式 华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论3.1.4 基尔霍夫公式的近似 夫琅和费近似 当观察屏离空的距离很大，则在菲涅尔近似中：当z1大到满足 时，在夫琅和费近似下，P点的光场复振幅为 -这就是夫琅和费衍射计算公式 华南理工大学机械工程学院3.1 3.1 衍射的基本理论衍射的基本理论3.1.4 基尔霍夫公式的近似 夫琅和费近似 菲涅耳衍射和夫琅和费衍射是傍轴近似下的两种衍射情况，两者的区别条件:观察屏到衍射屏的距离z1与衍射孔的线度（x1，y1）之间的相对大小。