衍射光柵及光柵光譜課件

一.衍射光柵1.光柵反射光柵透射光柵透光寬度不透光寬度2.光柵常數(shù)d—大量等寬等間距的平行狹縫(或反射面)構(gòu)成的光學(xué)元件光柵寬度為

l，每毫米縫數(shù)為

m，則總縫數(shù)§14.9衍射光柵及光柵光譜只考慮單縫衍射強(qiáng)度分布只考慮雙縫干涉強(qiáng)度分布雙縫光柵強(qiáng)度分布3.光柵衍射的基本特點(diǎn)屏上的強(qiáng)度為單縫衍射和縫間干涉的共同結(jié)果。以二縫光柵為例結(jié)論：二.多縫干涉1.五縫干涉例子主極大角位置條件k稱為主極大級(jí)數(shù)相鄰兩縫在

P點(diǎn)引起的光振動(dòng)相位差為主極大強(qiáng)度為主極條件下單縫在P點(diǎn)引起光振動(dòng)矢量的振幅對(duì)N

縫干涉兩主極大間有N

-1個(gè)極小，

N-

2個(gè)次極大。衍射屏上總能量主極大的強(qiáng)度由能量守恒，主極大的寬度隨著N

的增大，主極大變得更為尖銳，且主極大間為暗背景2.N縫干涉縫干涉強(qiáng)度分布縫干涉強(qiáng)度分布縫干涉強(qiáng)度分布三.光柵的夫瑯禾費(fèi)衍射1.單縫衍射和縫間干涉的共同結(jié)果幾種縫的光柵衍射縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿足

—光柵方程

多縫干涉主極大光強(qiáng)受單縫衍射光強(qiáng)調(diào)制，使得主極大光強(qiáng)大小不同，在單縫衍射光強(qiáng)極小處的主極大缺級(jí)。缺級(jí)條件如缺級(jí)缺級(jí)3.缺級(jí)條件分析2.光柵方程設(shè)光柵常數(shù)為

d

，總縫數(shù)為N

的光柵,當(dāng)入射光波長為時(shí)，分析其夫瑯禾費(fèi)衍射主極大條紋角寬度與

N的關(guān)系。第

k級(jí)主極大相鄰的兩暗紋有N越大，主極大角寬度越小，條紋越細(xì)。例解暗紋位置滿足條件第k級(jí)主極大角寬度四.光柵光譜及分辨本領(lǐng)1.光柵光譜0級(jí)1級(jí)2級(jí)-2級(jí)-1級(jí)3級(jí)-3級(jí)白光的光柵光譜2.光柵的色分辨本領(lǐng)(將波長相差很小的兩個(gè)波長和+

分開的能力)色譜儀的色分辨率設(shè)兩波長1和2=

1+

在第k級(jí)剛好能被光柵分辨，則有根據(jù)瑞利判據(jù)：當(dāng)(光柵的色分辨本領(lǐng))由(1)、(2)得時(shí)剛能分辨其中為波長1第k級(jí)主極大半角寬度，且光柵的色分辨率討論增大主極大級(jí)次k和總縫數(shù)

N

，可提高光柵的分辨率。當(dāng)=-90o時(shí)當(dāng)

=90o時(shí)一束波長為

480nm的單色平行光，照射在每毫米內(nèi)有600條刻痕的平面透射光柵上。求(1)光線垂直入射時(shí)，最多能看到第幾級(jí)光譜？(2)光線以

30o入射角入射時(shí)，最多能看到第幾級(jí)光譜？例解(1)(2)(2)斜入射時(shí)，可得到更高級(jí)次的光譜，提高分辨率。(1)斜入射級(jí)次分布不對(duì)稱(3)垂直入射和斜入射相比，完整級(jí)次數(shù)不變。(4)垂直入射和斜入射相比，缺級(jí)級(jí)次相同。上題中垂直入射級(jí)數(shù)斜入射級(jí)數(shù)說明時(shí)，第二級(jí)主極大也發(fā)生缺級(jí)，不符題意，舍去。每毫米均勻刻有100條線的光柵，寬度為D=10mm，當(dāng)波長為500nm的平行光垂直入射時(shí)，第四級(jí)主極大譜線剛好消失，第二級(jí)主極大的光強(qiáng)不為

0。(1)光柵狹縫可能的寬度；(2)第二級(jí)主極大的半角寬度。例(1)光柵常數(shù)

第四級(jí)主極大缺級(jí)，故有求解時(shí)時(shí)，一.線偏振光(平面偏振光)面對(duì)光的傳播方向觀察線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解§14.10線偏振光自然光(光振動(dòng)平行板面)(光振動(dòng)垂直板面)線偏振光的表示法二.自然光面對(duì)光的傳播方向觀察自然光可用兩個(gè)相互獨(dú)立、沒有固定相位關(guān)系、等振幅且振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光表示。自然光的表示法三.部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可用兩個(gè)相互獨(dú)立、沒有固定相位關(guān)系、不等振幅且振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光表示。部分偏振光的表示法平行板面的光振動(dòng)較強(qiáng)垂直板面的光振動(dòng)較強(qiáng)四.偏振度部分偏振光可看成是自然光和線偏振光的混合,設(shè)部分偏振光的強(qiáng)度為Ii,其中自然光強(qiáng)度為In，線偏振光的強(qiáng)度為Ip,則有線偏振光部分偏振光自然光偏振度§14.11偏振片的起偏和檢偏馬呂斯定律一.起偏和檢偏自然光I0線偏振光I偏振化方向線偏振光I'二.馬呂斯定律(馬呂斯定律)—消光當(dāng);當(dāng)起偏器檢偏器平行放置兩偏振片，使它們的偏振化方向成

60夾角。讓自然光垂直入射后,下列兩種情況下：(1)無吸收時(shí)，有(1)兩偏振片對(duì)光振動(dòng)平行于其偏振化方向的光線均無吸收例求解(2)有吸收時(shí)，有(2)兩偏振片對(duì)光振動(dòng)平行于其偏振化方向的光線分別吸收了10%的能量透射光的光強(qiáng)與入射光的光強(qiáng)之比是多大？§14.12反射和折射產(chǎn)生的偏振布儒斯特定律

一.反射和折射產(chǎn)生的偏振ib

—布儒斯特角或起偏角自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光線偏振光ib+γ=90o時(shí)，反射光為線偏振光二.布儒斯特定律§14.13晶體的雙折射現(xiàn)象

方解石一.雙折射現(xiàn)象1.雙折射o光e光2.尋常光和非尋常光兩折射光線中有一條始終在入射面內(nèi)，并遵從折射定律，稱為尋常光，簡稱

o光

另一條光一般不遵從折射定律，稱非常光，簡稱

e光

雙折射現(xiàn)象一束光入射到各向異性的介質(zhì)后出現(xiàn)兩束折射光線的現(xiàn)象。3.晶體的光軸當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。例如方解石晶體(冰洲石)光軸光軸是一特殊的方向,凡平行于此方向的直線均為光軸。單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體雙軸晶體:

有兩個(gè)光軸的晶體4.主平面主平面

晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面.78o102o78o102o光軸與

o

光構(gòu)成的平面叫

o光主平面.光軸與

e

光構(gòu)成的平面叫

e光主平面.o光二.單軸晶體中的波面(惠更斯作圖法(ve>vo))方解石光軸2.光軸平行入射面，自然光垂直入射負(fù)晶體中方解石光軸1.光軸平行入射面，自然光斜入射負(fù)晶體中光軸e光o光e光e光o光光軸3.光軸平行晶體表面，自然光垂直入射此時(shí)，o,e

光傳播方向相同，但傳播速度不同。從晶體出射后，二者產(chǎn)生相位差。三.晶體偏振器1.尼科耳棱鏡2.渥拉斯頓棱鏡上述兩種棱鏡得到的偏振光質(zhì)量非常好，但棱鏡本身價(jià)格很高，因而使用較少。負(fù)晶體o光o光e光加拿大樹膠光軸出射o

光e

光的相差為3.波晶片自然光垂直入射波晶片后，o光,e光傳播速度不同，產(chǎn)生的相位不同

。波晶片（光軸平行于表面且厚度均勻的晶體）波晶片分類波片半波片全波片波片§14.14偏振光的干涉一.偏振光干涉實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)裝置偏振片1偏振片22.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象單色光入射，波片厚度均勻，屏上光強(qiáng)均勻分布。波片厚度不均勻時(shí)，出現(xiàn)干涉條紋。屏屏屏???白光入射，屏上出現(xiàn)彩色，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片或波片，色彩變化。二.偏振光干涉的分析1.光線通過波片的傳播情況do光和e光傳播方向相同，但速度不同。o光和e光通過波片后產(chǎn)生的相位差為：no

——o

光主折射率ne——e

光主折射率2.光強(qiáng)分析o光和e

光經(jīng)過偏振片2后，振動(dòng)方向平行，振動(dòng)頻率相同，相位差恒定，滿足干涉條件。式中為投影引入的附加相位—

干涉相長—

干涉相消討論(1)波片厚度相同時(shí)，各處相位差相同，單色光照射時(shí)屏上光強(qiáng)均勻分布。合振動(dòng)強(qiáng)度為：(3)白光照射時(shí)，屏上由于某種顏色干涉相消,而呈現(xiàn)它的互補(bǔ)色，這叫(顯)色偏振。

(2)波片厚度不均勻時(shí)，各處相位差不同，單色光入射出現(xiàn)等厚干涉條紋。

偏振片1偏振片2屏白光(4)旋轉(zhuǎn)偏振片，使兩偏振片偏振化方向平行，相位差產(chǎn)生的變化，屏上顏色發(fā)生變化。F偏振片1偏振片2三.光彈效應(yīng)(應(yīng)力雙折射效應(yīng))屏o光和e

的相位差：(1)

各處

p不同不同出現(xiàn)干涉條紋(2)

應(yīng)力分布越集中的地方條紋越細(xì)密FFF白光說明(c

是與材料有關(guān)的常數(shù)，p為樣品材料中的應(yīng)力)§14.15旋光效應(yīng)簡介一.旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)裝置