激光衍射技术

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1、激光衍射技术电测控5105043005冯宁激光衍射测试技术摘要：激光衍射的原理，激光衍射的应用，激光衍射的发展关键词：激光、衍射、测量、波、传播等光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播方向会偏离直线传播，弯入到障碍物的几何阴影中，并呈现光强的不均匀分布的现象惠更斯——菲涅耳原理是波动光学的基本原理,是研究衍射现象的理论基础。一、惠更斯原理在研究波的传播时，总可以找到同位相各点的几何位置，这些点的轨迹是一个等相面，叫做波面，惠更斯曾提出次波的假设来阐述波的传播现象，从而建立了惠更斯原理。惠更斯原理可表述如下：任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出

2、球面次波；在以后的任何时刻，所有这些次波波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。根据这个原理，可以从某一时刻已知的波面位置求出另一时刻波面的位置。(图2－1)图2-1可以用来说明这个原理，图中是某一时刻（）的波面，箭头表示光的传播方向，若光速为，为了求得另一时刻的波面的位置，可以把原波面上的每一点作为次波源，各点均发出次波，经时间后，次波传播的距离为，于是各次波的包络面就是在时刻的波面，光的直线传播、反射、折射等都能以此来进行较好的解释。此外，惠更斯原理还可解释晶体的双折射现象，但是，原始的惠更斯原理是十分粗糙的，用它不能说明衍射的存在，更不能解释波的干涉和衍射现

3、象，而且由惠更斯原理还会导致有倒退波的存在，而其实并不存在倒退波。由于惠更斯原理的次波假设不涉及波的时空周期特性——波长，振幅和位相，因而不能说明在障碍物边缘波的传播方向偏离直线的现象。事实上，光的衍射现象要细微得多。例如还有明暗相间的条纹出现，表明各点的振幅大小不等，因此必须能够定量计算光所到达的空间范围内任何一点的振幅，才能更精确地解释衍射现象。二、菲涅耳对惠更斯原理的改进菲涅耳根据惠更斯的“次波”假设，补充了描述次波的基本特征——位相和振幅的定量表示式，并增加了“次波相干叠加”的原理，从而发展成为惠更斯-菲涅耳原理，这个原理的内容表述如下：(图2－2)如图2

4、-2所示的波面上每个面积元都可以看成新的波源，它们均发出次波，波面前方空间某一点的振动可以由面上所有面积元所发出的次波在该点叠加后的合振幅来表示。面积元所发出的各次波的振幅和位相符合下列四个假设：（1）在波动理论中，波而是一个等位相面，因而可以认为面上各点所发出的所有次波都有相同的初位相（可令）。（2）次波在点处所引起的振动的振幅与成反比，这相当于表明次波是球面波。（3）从面元所发次波在处的振幅正比于的面积且与倾角有关，其中为的法线与到点的连线之间的夹角，即从发出的次波到达点时的振幅随的增大而减小（倾斜因数）。（4）次波在点处的位相，由光程决定根据以上的假设，可知

5、面积元发出的次波在点的合振动可表示为∝或　　（2－1）其中为随着角增大而缓慢减小的函数，为比例系数。如果波面上各点的振幅有一定的分布，则面元发出次波到达点的振幅与该面元上的振幅成正比，若分布函数为，则波面在点所产生的振动为如果将波面上所有面积元在点的作用加起来，即可求得波面在点所产生的合振动（2-2）或写成复数形式（2-2）式称为菲涅耳衍射积分，一般说来计算此积分式是相当复杂的，但在波面对于通过点的波面法线具有旋转对称性的情况下，上项积分就比较简单，并可用代数加法或矢量加法来代替积分。借助于惠更斯-菲涅耳原理可以解释和描述光束通过各种形状的障碍物时所产生的衍射现象

6、。以下将讨论几种几何形状特殊的开孔和障碍物所产生的衍射花样的光强分布。在讨论时，通常可以按光源和考察点到障碍物距离的不同情况，把衍射现象分为两类，第一类是障碍物离光源和考察点的距离都是有限的，或其中之一的距离为有限的，这一类称为菲涅耳衍射，又称近场衍射；第二类是光源和考察点到障碍物的距离可以认为是无限远，即实际上使用的是平行光束，这种特殊的衍射情况，称为夫琅和费衍射，又称远场衍射，由于实验装置中经常使用平行光束，故这种衍射较菲涅耳衍射更为重要。要直接应用（2-2）式进行菲涅耳衍射的计算是很困难的，因此，可以采用振幅矢量叠加法作近似的处理。关于夫琅和费衍射，由于使用

7、的是平行光束，故可以用积分法来计算衍射花样的光强分布。激光衍射法的应用一、衍射法测量细丝直径：1　测量原理根据巴俾涅原理,平行光束照射细丝时,其衍射效应和狭缝一样,在接收屏上得到同样的明暗相间的条纹。图1是细丝的衍射图,当L》λ/2时为夫琅和费衍射,观察屏上光强分布为:　　当时出现暗纹,设第k级暗纹离光轴的距离为，则有:式中:S为衍射暗条纹间距。2　测量装置图2为测量装置原理图,He-Ne激光器1发出激光束经偏振片组2入射到准直透镜组4扩束成平行测量光,小孔光栏3起空间滤波作用,由狭缝5和狭缝6组成二次衍射装置,取出零级衍射光并有效消除杂散光后入射到被测细丝7上,

8、CCD光强