光学3-3(基础物理课堂讲稿下第十八讲)

《光学3-3(基础物理课堂讲稿下第十八讲)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学3-3(基础物理课堂讲稿下第十八讲)（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 光的衍射第三章 光的衍射(续) 第十八讲3.1 衍射现象3.2 惠更斯-菲涅耳原理3.3 夫琅禾费单缝衍射3.4 夫琅禾费园孔衍射和光学仪器的分辨本领3.5 衍射光栅1914劳厄(法)1895伦琴(德)3.6 X射线衍射3.7 全息术原理3.8 相衬显微镜3.9 纹影法3.10 傅里叶光学大意第三章 光的衍射问题： 1.怎样精确测量光的波长？2.怎样测量原子、分子发出的光谱？4.怎样测量物质中某元素的含量？3.怎样分辨混合光中两不同波长的光？6.怎样测知生物遗传物质DNA的结构？8.怎样获得物体的立体图像？5.怎样测知物质内部结构？9.怎样进行指纹识别?7.怎样测知人体骨架结构？第三章

2、 光的衍射3.6 X射线衍射十九世纪未阴极射线研究属热门课题天空打雷闪电地上模拟实验法拉第辉光放电实验(气压P小) 导电机理? 正电荷？负电荷？1879(英)克鲁克斯小叶片转动实验1894(德)勒纳德将铝箔置其中仍有电流,说明射线能穿过铝箔.以铝箔作窗口从阴极发射出一种物质阴极射线探知:该射线在空气中仅有1cm行程有绿色荧光1cm涂有铂氰酸钡的荧光屏阴极射线称此装置为阴极射线管 +V+- 阴阳A高压铝箔窗口第三章 光的衍射1895年11月8日伦琴(德)作实验,用黑纸包严阴极射线管以防杂光对实验数据的影响。涂有铂氰酸钡的荧光屏 阴极射线 +1m黑纸 发现 :不可能是阴极射线, 只能新射线- X射

3、线特点:穿透力强,能透过人体显示骨骼。伦琴给他妻子的手照了一张X射线照片X射线广泛用于医学诊断和确认物质结构等1米远的荧光屏闪光,第三章 光的衍射X射线本质是什么？1912年劳厄(德)将X射线入射于晶体，发现了衍射现象。定性表明：晶体内粒子排列规则,可视为三维光栅。(莫寒莱(法)证实X射线由原子中内层电子跃迁辐射产生)X射线属波长极短的电磁波;定量分析：定理：同一晶面上只有满足反射定律的光线1、2才是等光程的。ABCDE1 2易证 ABCABDAD=CB 光线1、2等光程易证 ABCABEAE CB 光线1、2非等光程12第三章 光的衍射由定理知沿反射定律的方向相干加强可视多缝零级衍射层与层间

4、干涉：晶面族 相邻层间光程差:晶面族 相邻层间光程差:晶体有许多晶面族，对应有不同的晶面间距d和掠射角,其相邻层间光程差： =2d sin同一层各粒子发次波衍射：d111d2SEFGOABC著名的布拉格公式：2d sin=k方向相干加强(k =1,2)22第三章 光的衍射连续调节波长使2d sin = k由斑点位置求d。从而可测知：晶体内所有晶面族的面间距d1、d2、不同的斑点对应不同的晶面族劳厄法测量单晶单晶晶面X射线波长可调2(可测测)斑点 第三章 光的衍射德拜法测量多晶总存在满足：2d sin = k的衍射角。不同园环斑对应不同的晶面族。测知晶体内所有晶面族的面间距d1、d2、相同的斑点

5、构成园环。 2(可测测)园环单色X射线多晶许多小单晶构成且取向随机小单晶晶面由d1、d2、可推知晶体结构。反之,可测其波长.第三章 光的衍射由X衍射斑点分布可推知遗传物质脱氧核糖核酸DNA的双螺旋结构第三章 光的衍射3.7 全息术原理从普通照相谈起立体物体透镜成像于底片卤化银感光记录物上各点光强显影定影物体平面相片立体物平面像-无立体感起因：仅记录了物光波的光强信息立体物立体像-有立体感？?若同时记录物光波的光强信息和相位信息分析：物光波含有振幅信息和相位信息。因此,相位信息更多地反映了物体上各点相对位置信息。物体上各点发光波存在光程差，从而存在相位差。则可实现立体像第三章 光的衍射物光波的记

6、录回顾:两相干点光源在空间形成回转双曲面如图干涉回转双曲面密度与两点光源距离有关则空间干涉条纹形状和密度等与有关若物体上各发光源光是相干的,干涉条纹密度与光程差=r2-r1有关推广:干涉条纹形状和密度等与物光波的相位信息有关而干涉条纹本身的强度反映了物光波的光强信息因此：空间某载体上的干涉条纹强度、形状、密度、走向等记载了物光波的强度信息和相位信息物的形状和位置第三章 光的衍射什么载体可记录干涉条纹？ 什么方法可形成干涉条纹？载体(记录介质)-全息像片: 感光乳剂，铌酸锂(LiNbO3)等方法：参考光束与物光束相干叠加如图半透半反镜全息底片其上干涉条纹细密而复杂。参 考 光 束物光束激光物体第

7、三章 光的衍射物光波的重现内部干涉条纹细密而复杂的全息底片如同复杂光栅照明激光照射全息底片复杂光栅衍射与参考光束相似复杂光栅物光波的重现1级衍射光立体像为什么1衍射光含有原物光波振幅信息和相位分布信息呢？而零级衍射却没有这些信息呢？以多缝光栅为例大致解释照明激光立体像全息底片人眼+1级衍射光全息照相的特点和应用方面自阅第三章 光的衍射目的：观察微生物活体的生命过程。 生物样品：薄切片生物内部各组织结构 n不同不同不同相物体(x,y)通过相物体的光：E=E0cost- (x,y)E=E0 costcos(x,y)+sintsin(x,y)E0 cost+ E0 (x,y) sint相物体引起的相

8、位滞后, 薄切片 很小直射光衍射光=E0 cost+ E0 (x,y) cos(t-/2)普通显微镜如图聚光镜物镜物的像平面载物台(样品台)物像E E0不能显示物结构E0EE03.8 相衬显微镜第三章 光的衍射 相衬显微镜如图衍射光直射光1935年泽尼克设计技巧:在光源的像平面加一个环形相板正相板：玻璃板有环形凹槽使直射光附加+/2相位差EE0E0E E0能显示物结构负相板：怎么再进一步改进？物镜物的像平面 像载物台(样品台)物聚光镜光源像平面环形相板环环光阑光源第三章 光的衍射3.9 纹影法目的：测量飞机周围流速场分布，压强分布，温度分布飞机周围空气密度变化 折射率变化 相位分布其工原理与相

9、衬法显微镜相同即：相位分布 光强分布转换不透明的刀口刀口缓慢上移挡住直射光和部分衍射光其余衍射光成像其像与飞机周围的折射率分布有关.从而推知飞机周围的流速场等第三章 光的衍射3.9 傅里叶光学大意傅里叶光学内容：成像系统中物和像之间的变换关系傅里叶光谱仪中干涉图和光谱图的变换关系空间频率概念空间频率定义：单位长度光振幅变化的次数时间频率定义：单位时间内完成的振动次数，或单位时间内传输了多少个完整的波反映光振幅沿空间某方向变化的频繁程度反映某物理量变化的快慢程度第三章 光的衍射数学上的傅里叶变换周期: d;频率：f1=1/d, fn=nf1an,bn为傅里叶系数 ;(傅里叶级数)cos=(ei

10、+ e-i)/2,sin=(ei - e-i)/(2i)非周期函数总可以展开成一系列频率连续分布的简谐函数的叠加。一维：正变换逆变换二维：傅里叶频谱傅里叶定理1： 周期函数总可以展开成一系列离散的频率不同 的简谐函数的叠加傅里叶定理2 ：第三章 光的衍射例如:方波函数g(x)第三章 光的衍射傅里叶变换基本要点：1. 正变换：从空域内的分布函数获得频谱函数；逆变换：从频域内的频谱函数获得分布函数。2. 周期性分布函数的频谱离散谱非周期性分布函数的频谱连续谱3.(空域)分布函数 频谱函数(频域)一一对应4. 低频成分决定分布函数中变化缓慢部分和粗轮廓；高频成分决定分布函数中突变部分和细节。第三章

11、光的衍射夫琅禾费衍射装置是傅里叶频谱分析器例如,透光部分和不透光部分宽度相等的黑白光栅(a=b)主极大缺级：k=(d/b)n=(a+b)/n=2, 4, 6,只有零级, 1, 3, 5, 级光谱这正好与方波函数的展开式中的离散频谱是一致的。分布函数频谱函数低频部分高频部分高频部分分布函数-透镜L2前焦平面频谱函数-透镜L2后焦平面第三章 光的衍射阿贝成像原理和空间滤波实验夫琅禾费衍射物分布函数频谱分布傅氏面像分布函数低频部分高频部分阿贝成像原理: 物分布函数低频谱分布 (透镜限制了高频 )低频谱分布像分布函数低通滤波器空间滤波实验:滤掉傅氏面上的某些频谱，从而改变像结构。-光信息处理第三章 光

12、的衍射马雷夏尔的改善像质工作基本思想：减弱低频成分，高频成分相对增强。由此突出照片的细节，改善像质。具体方法 ：将模糊照片制成透明照片将此透明照片放在4f系统的物平面位置在傅氏面上放置一园形滤波板，其透过率沿半径方向递增减弱低频，高频相对增强。傅氏面第三章 光的衍射 特征识别-指纹识别傅氏面将指纹制成透明分布函数此透明片4f系统的物平面傅氏面上形成傅里叶频谱t1(fx,fy)在透镜L1的后焦面(傅氏面) 放置傅里叶频谱共轭t*1(fx,fy) t1(fx,fy)* t*1(fx,fy)=A(常数)经过匹配滤波器的平行光透镜L2聚焦一个亮点众多指纹透明片逐一放入物平面处: 匹配滤波器(罪犯的)若

13、无亮点，则不是罪犯指纹;若有亮点，则是罪犯指纹 。第三章 光的衍射 假彩色编码-将灰度分布图转换为色调分布图第一步：将具有某种灰度分布的黑白图象制作成相应的明胶厚度分布的透明片；具体方法：照相底片上的透光率为：T(x,y)=T1(x,y)T2(x,y)透光大的地方爆光大显影定影后银粒析出多漂白处理银粒溶于漂白液透明底片厚透光小的地方透明底片薄第三章 光的衍射第二步：解调. 可视此透明片为参考光栅和信息光栅合成.黑白参考光栅离散谱0级、1级、3级、5级信息光栅弥漫谱解调具体方法：傅里叶面上滤掉参考光栅1以上级,除零级外;信息光栅来的波与此零级波相干叠加,其相位差:L(P):信息光栅光程L0:参考光栅零级光程白光入射某波长干涉相长某灰度级“染色”-假彩色编码第三章 光的衍射 傳里叶变换光谱仪用途：测定光源辐射的光谱工作原理: 使反射镜M2匀速平动双光束干涉强度i(x)干涉信息傅里叶变换光源光谱迈克耳孙干涉仪优点：一次测量中同时完成信噪比高分辨本领高第三章 光的衍射参考书：1.赵凯华，钟锡华.光学上册2.毌国光，战元令.光学