案例原理光栅

1、光学讨论课方美琛outline惠更斯-菲涅尔原理光栅惠更斯原理（1678）光扰动同时到达的空间曲线被称为波面和波前，波前上的每一点可以被看做一个新的扰动中心，称其为子波源或次波源，次波源向四周激发次波；下一时刻的波前应当是这些大量次波面的公共切面，也称其为包络面；次波中心与其次波面上的那个切点的连线方向，给出了该处光传播方向，亦即光射线。荷兰物理学家，天文学家，数学家。Christian Huygens 1629-1695 不能回答光振幅或光强的传播问题不能回答光位相的传播问题惠更斯-菲涅尔原理菲涅尔受到光波干涉概念的启发，在惠更斯原理中加入了次波相干叠加的概念。波前上每个点(面元) 都可以看

2、作新的波源，这些波源发出球面次波，波前前方某点的光场为所有次波在这一点的线性叠加。Augustin-Jean Fresnel 1788-1827法国物理学家和铁路工程师光栅由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅（grating）衍射光栅的历史衍射光栅是由James Gregory首先发现的，他发现阳光穿过鸟的羽毛后会产生衍射图案。前一年，牛顿发现了棱镜色散现象。James Gregory (16381675)格雷戈里反射式望远镜微积分基本定理第一个人造衍射光栅是由David Rittenhouse 在1785年制造的，他将50根头发绕在两个细螺丝上，大约每英尺100刻线。夫琅禾费在1

3、821年也制造了类似的光栅。近代光栅每mm内可以有上千条刻痕，总缝数达105的数量级。David Rittenhouse 1732 1796) 一维光栅： 谱结构因子： 谱形状因子透光缝宽为a，空间周期为d，周期数N一维光栅+=主极大 次级大主峰位置 强度为N的平方倍半角宽度 光栅尺度越大，主峰半角宽度越小光栅光谱仪不同波长同级主极大出现在不同方位光栅光谱仪色散本领：对于一定波长差的两条谱线，其角间隔（角色散本领）或在幕上的距离有多大（线色散本领）。色分辨本领角色散本领光栅的角色散本领与光栅常数d成反比，与级数k成正比。与衍射单元数N无关。为了增大角色散本领，近代光栅的缝很密，每毫米数百条到上

4、千条，即d=10-2-3mm。此时对一级光谱（k=1），D=1/nm10/nm.色分辨本领瑞利判据 RNK 光栅的色分辨本领正比于衍射单元总数N和光谱的级别k，与光栅常数d无关光栅产品闪耀光栅光栅光谱序（k）越高, 色分辨本领越强, 但光强越弱。 对于多缝光栅光强最强的零级主极大完全无色散。 闪耀光栅是一种通过改变单元衍射因子使能量主要分配的一级主极强的光栅。光栅平面法向 槽面法向闪耀角，凹槽间距，闪耀波长。qb ( 闪耀角)对于给定的闪耀角和凸槽间距，特定的波长可以使单槽衍射的0级主极大正好落在槽间干涉的一级谱线上，其他级都几乎落在单槽衍射的暗线位置形成缺级，这样一级谱线的强度大大增加。闪耀

5、光栅仅有一列光谱全息光栅虽然闪耀光栅在设计波长下具有极高的效率，但是它们会有周期性误差，比如鬼影（机件误差导致的不代表真实谱线的亮线），以及相对较多的散射光，它们可能会对敏感的测量产生负面影响。全息光栅专门设计用于减少或消除这些误差。全息光栅在光学稳定的平玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层。由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，则光敏物质被感光。然后用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像。所制得为透射式衍射光栅；如在玻璃坯背面镀一层铝反射膜后，可制成反射式衍射光栅。这种方法制造的光栅线槽密度高，没有鬼线，杂散光小，可消除机

6、刻光栅的固有缺点全息光栅对比于闪耀光栅的缺点是效率降低了：全息光栅的槽形通常为近似正弦波形，这种槽形不具备闪耀条件，没有明显的闪耀特性。 三维光栅晶体：由原子、离子或分子周期性排列构成的固体。晶格点阵：三维周期分布原子实集合。将三维晶格点阵看作二维晶格点阵的集合, 光在三维晶格点阵的衍射等效与在一系列二维晶格点阵上的连续衍射。 X射线晶体衍射和诺贝尔奖1901诺贝尔物理学奖 波长在 1081012 米之间, 由电子跃迁产生的电磁波称为 X 射线, 由伦琴在1895年11月8日发现。1901年他成为第一位诺贝尔物理学奖金获得者1914诺贝尔物理学奖Max von Laue (1879 - 196

7、0)The Nobel Prize in Physics 1914证明了X射线是电磁波；验证了晶体的空间点阵假说。劳埃方程 (Laue equations)1915诺贝尔物理学奖1915年诺贝尔物理学奖X射线晶体结构分析授予亨利布拉格(Sir William Henry Bragg ,1862-1942)和他的儿子劳伦斯布拉格(Sir William Lawrence Bragg ,1890-1971). 布喇格条件 (Bragg condition)。 有无限多个晶面取向, 不同晶面取向的晶面间距不同。量子化学和结构生物学的先驱者之一。杂化轨道共振论蛋白质结构1954诺贝尔化学奖1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖，成为获得不同诺贝尔奖项的两人之一。1962诺贝尔生理学奖DNA的X光衍射照片1962年诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖1964 维生素B121988 光合中心1997 ATP合成酶2003 钾通道2006 RNA聚合酶 2009 核糖体2012 G蛋白偶联受体由于晶体衍射实际上是晶体中每个原子的电子密度对X射线的衍射的叠加，衍射数据反映了晶体中电子密度的分布。2017年诺贝尔化学奖：cryo-EM高分辨率结构生物学研究： 冷冻电镜 X射线晶体学 核磁共振低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术，就叫做冷冻电子显微镜技术，简称