Ch3光波的衍射ppt课件.ppt

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1、衍射是光波传播过程中的一种基本现象。17世纪中叶，意大利学者格里马策首先发现:当光在传播途径中遇到障碍物(如小孔或细棒)时，不再遵循直线传播规律，一部分光会“绕”过障碍物，射向阴影区域，使得障碍物的投影边缘模糊，甚至出现明暗条纹。衍射定义：光波在传播过程中，由于受到限制(即空间调制)时所发生的不是折射和反射的影响而偏离直线传播规律、并在几何阴影区有强度起伏的现象。衍射光强的计算与衍射的物理过程。§3.1概述衍射基本理论要解决的问题是：观察屏上的光强分布。衍射过程的三个子过程即：(1)光源发出的光波，在自由空间传播一定距离，到达衍射屏的过程。(2)衍射屏对人射光波的限制(或调制)过程。(3)

2、离开衍射屏的光波在自由空间传播一定距离，到达观察屏的过程。图3-1-1平行光小孔衍射光源小孔光源像面光源大孔径面光源像ABB'A'图3-1-2多光束等倾干涉衍射特点：在光源的几何像之外，由于干涉光强再分布衍射园环。干涉特点：在面光源几何像之内，由于干涉光强再分布干涉园环结论：干涉：符合直线传播规律，干涉条纹出现在几何像范围内。衍射：偏离直线传播规律，衍射条纹出现在几何像范围外。衍射的分类：平行光衍射：入射、衍射光都是平行光，即Fraunhofer衍射（远场衍射）。衍射场在第二物镜后焦面。2.非平行光衍射：入射、衍射光不是平行光，即Fresnel衍射（近场衍射）。衍射场在衍射屏后近处

3、入射平行光衍射衍射光非平行光衍射衍射光图3-1-3平行光与非平行光衍射§3.2衍射的基本理论图3-2-1　水波的衍射图3-2-2　激光的单缝衍射一、惠更斯—菲涅耳原理（Huggens-Fresnel）任一时刻，波前上每一点均可看成新的子波源，下一时刻波前是这些子波的公切面诸子波来自同一波前，所以相干。在其后任一地点的光振动，是所有子波叠加的结果。图3-2-3惠更斯波前作图法惠更斯原理加干涉原理称为惠更斯-菲涅耳原理。它是解决衍射问题的基础。图3-2-4　惠更斯-菲涅耳原理的几何图示惠更斯-菲涅耳原理的数学表达式二、标量波衍射理论基础（基尔霍夫衍射公式）1.单色标量光波：2.无空间电荷、电流

4、3.各向同性均匀介质格林公式场方程亥姆霍兹方程1.亥姆霍兹方程2.格林定理3.亥姆霍兹和基尔霍夫积分定理（一）基尔霍夫积分定理图3-2-5积分曲面观察点P0,问题是当已知闭曲面S上的波动后，如何求解P0点的值。（1）格林公式的简化（2）格林函数的选择亥姆霍兹-基尔霍夫积分定理。它把任意一点上的场，用包围这一点的任意封闭曲面上的波动的边值U和表示出来，一旦知道U和，就能计算出任一点处的场。（3）亥姆霍兹基尔霍夫积分定理Helmholtz-Kirchhoff（二）平面屏衍射的基尔霍夫理论图3-2-6平面屏衍射的基耳霍夫理论索末菲辐射条件上的积分的贡献为零基尔霍夫条件：（1）在开孔上，场分布U及

5、其导数跟没有屏时完全相同（这一假定是不严格的，屏幕的存在必然会在一定程度上干扰上的场，但在孔径比波长大许多时，干扰可以略去不计）。（2）在除以外，屏幕背面上的场分布U及恒为零（这一假定也不严格，上的场总要扩展到幕后几个波长的距离。这一假定使得最后推得的公式，在靠近处是不成立的。但在孔径比波长大许多时，干扰可以略去）P1P0P2D设开孔由位于点上的单色点光源照明，图3-2-7点光源照明平面屏幕菲涅耳-基尔霍夫衍射公式。①单个单色点光源照明；②衍射孔径比波长大得多；③观察点不能太靠近屏幕或开孔P1P0P2WW´W´θ图3-2-8单色点光源的衍射菲涅耳理论的倾斜因子也可推广到非单色、非点光源（一

6、）衍射公式初步近似三、Fraunhofer和Fresnel衍射图3-2-9衍射公式的近似<<1，略去Fresnel衍射<<1，略去Fraunhofer衍射（二）菲涅耳与夫朗和菲近似例：Fresnel衍射：Fraunhofer衍射：Fresnel衍射区Fraunhofer衍射区2mm1cm~5mFraunhofer近似含义：Fraunhofer衍射场分布U(x1,y1)是衍射屏光场分布U(x0,y0)本身的Fourier变换§3-3Fraunhoff单缝衍射图3-3-1单缝衍射的光程一、单缝衍射光强的计算图3-3-2单缝衍射的实验装置二、单缝衍射的光强分布1、极值a.极小值b.主极大c.

7、次极大：位于两个相邻极小之间图3-3-3单缝衍射的光强分布２、条纹宽度及影响因素3、单缝衍射的物理意义1）单色平面光波不存在；2）增大口径可压缩发散角；3）几何光学是波动光学波长趋于0的近似；4）定性理解测不准关系；5）经典力学是波动力学德布罗意波长趋于0的近似；§3-4Fraunhofer菲圆孔衍射图3-4-1计算夫琅和菲圆孔衍射贝塞耳函数1.00.80.6I/I00460.40.2图3-4-2夫琅和菲圆孔衍射的光强分