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1、第22章 光的衍射 光的偏振,本章目录,22-1 光的衍射和光的波动理论 22-2 单缝衍射 22-3 圆孔衍射 光学仪器的分辨率 22-4 双缝衍射 22-5 衍射光栅 22-6 X射线衍射 22-7 光的偏振,计划学时：,22-1 光的衍射和光的波动理论,衍射现象,波遇到障碍物时，绕过障碍物进入几何阴影区。,波长和障碍物的大小可相比拟时就能观察到明显的衍射现象。,一、菲涅耳亮斑,2、惠更斯菲涅耳原理,惠更斯原理,波面上的每一点均为发射子波的波源，这些子波的包络面即新的波阵面,菲涅耳原理, 对子波的振幅和相位作了定量描述,波面上各面元 子波源, 空间任一点振动为所有子波在该点相干叠加的结果,
2、合振动：,22-2 单缝衍射,单缝衍射实验装置：,屏置于L2的焦平面上,一、半波带法确定衍射图样的分布：,对应的单缝a被分为 k个半波带,.,A1,2,.,.,.,.,.,A3,A2,.,对于缝宽一定时，半波带个数由衍射角确定。,对应中央明纹中心,对应非明、暗纹中心的其余位置,*条纹角宽度,*计算衍射条纹线宽度,中央明纹中心:,全部光线干涉相长,一级明纹中心:,二级明纹中心:,由菲涅尔波带法：,二.衍射图样的光强分布,每条光线在屏上引起光振动振幅相等,两相邻光线相位差,两相邻光线光程差,请与半波带法比较,sin ,22-3 圆孔衍射 光学仪器的分辨率,一、圆孔衍射,中央亮纹：爱里斑,爱里斑对透
3、镜中心张角的一半由理论推导可知:,D 越大 越小，衍射现象越不显著。,二、光学仪器的分辨率,物镜 圆孔 物点的象 衍射图样,两个点光源相距较远，能分辨。,瑞利判据,为爱里斑对透镜的张角,张角变小,两爱里斑中心距离为爱里斑的半径时，或者第一个象的爱里斑中心与第二个象的的爱里斑边缘重合时恰能分辨-瑞利判据。,两点光源靠近,此时两爱里斑重叠部分的光强为一个光斑中心最大值的 80， 0 则称为最小分辨角。,恰能分辨,两点光源继续靠近,不能分辨,光学仪器分辨率,最小分辨角的倒数,光学仪器的最小分辨角越小，分辨率就越高。,22-4 双缝衍射,将双缝干涉与单缝衍射结合考虑称双缝衍射。,一、双缝干涉,设每个缝
4、均匀照亮屏,二、每个缝的衍射,注意：两缝衍射强度分布是重合的！,三、双缝衍射,干涉因子,衍射因子,结果：双缝干涉的条纹位置仍不变，只是强度受到单缝 衍射的调制。,强度包线由 决定。,条纹位置由 决定。,双缝衍射的强度分布图,包线变窄，条纹位置不变。,包线不变，条纹变密。,包线变宽，条纹变宽。,讨论： 变化时对条纹的影响？,22-5 衍射光栅,一、衍射光栅,光栅常数:,二、衍射图样的形成及特点,衍射图样特点：宽大的弱暗背明中出现强度不等的明亮明窄条纹。,二、衍射图样的形成及特点,1. 光栅方程 主明纹,光栅公式,光栅主明纹公式与双缝衍射明纹公式相同，它决定了衍射主极大的位置，衍射主极大位置只由
5、d 决定，与N无关。,2. 暗纹 谱线的宽度,1,2,两个主极大之间有N-1个最小值，而两个最小值之单间则由次极大隔开,次极大,两个主极大之间的N-1个最小值，就由N-2个次极大隔开,次极大中心对应的光强最大值不超过主最大的1/23，所以两主极大值之间是宽大的弱暗背景,1,2,与主极大相邻的两个极小值中心之间的距离为主明纹宽度,sin,I,0,N2I1,主明纹角宽度,3. 缺级现象 缺级条件,三、衍射光谱,白光入射中央零级主明纹为白色，其余各级为彩色光谱，高级次重叠,四、光栅的分辨本领,光栅的分辨本领是指将波长十分接近的谱线区分开的本领。,分辨本领：,分辨本领：,22-6 X射线衍射,1895
6、年，德国，伦琴在阴极射线实验中发现。特点：不带电，穿透本领强，能使底片感光，是以前所未知的，所以称X射线(又称伦琴射线)。,X射线：,为研究其波动性，寻找相应的光栅,1912年德国慕尼黑大学的实验物理学教授冯劳厄用晶体中的衍射拍摄出X射线衍射照片。由于晶体的晶格常数约10nm，与 X 射线波长接近，衍射现象明显。,1913年英国的布拉格父子，提出了另一种精确研究 X 射线的方法，并作出了精确的定量计算。由于父子二人在X射线研究晶体结构方面作出了巨大贡献，于1915年共获诺贝尔物理学奖。,晶体是由彼此相互平行的原子层构成，原子位置处就可看成次波的波源,布拉格公式,晶格常数：,X射线经两晶面反射产
7、生干涉，两束光的光程差为：,加强,布拉格公式,X 射线射到晶面时与晶面夹角。,掠射角 :,22-7 光的偏振,光的横波性与偏振态,偏振： 波振动方向对于传播方向的不对称性,它是横波区别与纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振性,理论和实验都证明光是电磁波，其振动量E和H垂直于传播方向，因而光是横波，它具有偏振性。,光振动主要指电矢量E的振动,光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的平面内还可能有各式各样的状态。,一. 非偏振光 偏振光 偏振片,非偏振光（自然光）,每个光波列: 横波 偏振,原子发光的独立性和随机性：一段观测时间内电矢量统计平均值既有空间分布的均匀性，又有时
8、间分布的均匀性。,普通光源发光,光矢量对传播方向均匀对称分布 非偏振,光振动各向振幅大小相同,一对互相垂直，振幅相等，互相独立的平面偏振光的叠加,线偏振光,平面偏振光,偏振片：利用晶体的二相色性，只让某一方向振动的光通过，而吸收其它方向的光振动,自然光通过偏振片得到振动方向与偏振化方向相同的线偏振光,I0,二、透射偏振光的强度马吕斯定理,部分偏振光入射：自然光与线偏振光叠加,偏振片,偏振光入射,光振动方向与偏振片偏振化方向的夹角,偏振现象的应用,太阳镜,三、反射和折射引起的偏振,部分偏振光（ ）,部分偏振光（ ）,自然光,自然光入射一般情况下得部分偏振光,反射线与折射线垂直,反射光线不含平行分量，只含垂直分量，成为线偏振光,折射光线既含平行分量，又含垂直分量，为部分偏振光，平行分量占优。,i0布儒斯特角(起偏振角),布儒斯特定律,
