光的干涉和衍射课件

1、光的干涉和衍射光的干涉和衍射一.光的干涉 两束光 (1)频率相同； (2)光振动方向相同； (3)相差恒定； 相干条件 则在空间相遇区域就会形成稳定的明、暗相间的条纹分布，这种现象称为光的干涉。 其中 二.相干叠加和非相干叠加 由波动理论知, 光矢量平行、频率相同、振幅为E1和E2的两列光波在某处叠加后,合振动的振幅为20-1 光波的相干叠加2一.光的干涉 两束光相干条件 则在空间相在波动光学中，光强定义为即光强 1.非相干叠加 对普通光源来说，由于原子发光是间歇的、随机的、独立的，在观察时间内，相位差不能保持恒定,变化次数极多,可取02间的一切可能值,且机会均等，因此3在波动光学中，光强定义

2、为即光强 1.非相干叠加于是非相干叠加时的光强为 I=I1+I2 (20-1) 可见，在非相干叠加时，总光强等于两光源单独发出的光波在该处产生的光强之和，且光强是均匀分布的。 2.相干叠加 可见，在相干叠加时,合成光强在空间形成强弱相间的稳定分布。这是相干叠加的重要特征。 如果在观察时间内，相位差保持恒定,则合成光强为(20-2)4于是非相干叠加时的光强为 如果I1=I2 ，则合成光强为当=2k, Imax=4I1 , 明纹(加强)=(2k+1), Imin=0 , 暗纹(减弱)(20-3)(20-2)5 如果I1=I2 ，则合成光强为当=2k, Imax三. 光程和光程差 光的频率v由光源确

3、定。光速由媒质确定。 真空中，光速: c=v 媒质中，光速: =v n=c/ = /n 由此可见，光经过不同媒质时，波长要发生变化。这对讨论光经过几种媒质后的相干叠加问题，是很不方便的。为此引入光程的概念。当=2k, Imax=4I1 , 明纹(加强)=(2k+1), Imin=0 , 暗纹(减弱)6三. 光程和光程差 光的频率v由光源确定。光1.光程 设经时间t，光在折射率为n媒质中通过的几何路程为r，则nr称为光程。 显然，光程 nr=n t =c t 。 引入光程概念后，就能将光在媒质中通过的几何路程折算为真空中的路程来研究。这就避免了波长随媒质变化而带来的困难。 光程的物理意义: 光程

4、等于在相同的时间内光在真空中通过的路程。 n=c/ = /n 71.光程 设经时间t，光在折射率为n媒质中通过的2.光程差两束光光程之差=s2s1r2r1pn1n2图20-1s2S1p= r1s1pe1e2n1n2S2p= r2图20-2n1r1- n2r2(r1-e1 +n1e1)- (r2-e2 +n2e2)82.光程差两束光光程之差=s2s1r2r1pn1n2 3.两束光干涉的强弱取决于光程差，而不是几何路程之差s2s1r2r1pn1n2 设相干光源s1和s2的初相相同，到达p点的干涉强弱取决于相差：=2k , 明纹(加强)=(2k+1) , 暗纹(减弱)即 明纹 暗纹=真空中的波长光程

5、差9 3.两束光干涉的强弱取决于光程差，而不是几何 4.薄透镜不产生附加程差从S发出的光线1、2到达S点光程相等。图20-3s1210 4.薄透镜不产生附加程差从S发出的光线1、2四.获得相干光的方法 如前所述，普通光源发出的光是不相干的。 利用普通光源获得相干光的基本原理是将一个光源的微小部分(视为点光源或线光源)发出的光设法分成两束,使这两束光在空间经不同路径再会聚。 虽然这个光源的相位不断地变化,但任何相位的改变总是同时发生在这两列光波中,因此,在会聚点上,这两束光的相位差是恒定不变的,从而满足相干条件而成为相干光。 对初相相同的两相干光源 , 有光程差即 明纹 暗纹=11四.获得相干光

6、的方法 如前所述，普通光源发出的光是 真空，s在s1s2的中垂线上，于是光源s1和s2 的初相相同，干涉的强弱取决于从s1和s2发出的两光线的光程差：=r2-r1= 明纹 暗纹s2s1po图20-4Lds *r2r1K=0K=1K=1K=2K=220-2 双 缝 干 涉 一.双缝干涉实验12 真空，s在s1s2的中垂线上，于是光源s1和s建立坐标系，将条纹位置用坐标x来表达最方便。 r12=L2+(x-d/2)2, r22=L2+(x+d/2)2考虑到Ld, r1+r22L,于是明暗纹条件可写为 明纹 暗纹(20-4)s *s2s1po图20-4Ldr2r1xxK=0K=-1K=1K=2K=-

7、213建立坐标系，将条纹位置用坐标x来表达最方便。 k=0,1,2,分别称为第一级、第二级暗纹等等。 上式中的k为干涉条纹的级次。由上式求得条纹的坐标为 k=0,1,2,依次称为零级、第一级、第二级明纹等等。零级亮纹(中央亮纹)在x=0处。暗纹，k =0,1,2,.(20-4b)明纹，k =0,1,2,.(20-4a) 明纹 暗纹(20-4)14k=0,1,2,分别称为第一级、第二级暗纹等等。 条纹特征： (1)干涉条纹是平行双缝的直线条纹。中央为零级明纹，上下对称，明暗相间，均匀排列。 (2)相邻亮纹(或暗纹)间的距离为(20-5)s *s2s1po图20-4Ldr2r1xxK=0K=-1K

8、=1K=2K=-215条纹特征：(20-5)s *s2s1po图20-4Ldr2r (3)如用白光作实验, 则除了中央亮纹仍是白色的外,其余各级条纹形成从中央向外由紫到红排列的彩色条纹光谱。k=0k=-1k=-2k=1k=216 (3)如用白光作实验, 则除了中央亮纹仍是白色的pr2r1s *o图20-4as2s1Ldxxr01r02s *s2s1po图20-4Ldr2r1xxK=0K=-1K=1K=2K=-2(4)讨论:=r02-r01+r2-r1 =r02-r01 明纹 暗纹=17pr2r1s *o图20-4as2s1Ldxxr01r02s 例题20-1 双缝间的距离d=0.25mm,双缝

9、到屏幕的距离L=50cm,用波长40007000的白光照射双缝，求第2级明纹彩色带(第2级光谱)的宽度。 解 所求第2级明纹彩色带(光谱)的宽度实际上是7000的第2级亮纹和4000的的第2级亮纹之间的距离d。明纹坐标为 代入：d=0.25mm, L=500mm, 2=710-4mm , 1= 4 10-4mm得： x =1.2mmk=0k=-1k=-2k=1k=2x18 例题20-1 双缝间的距离d=0.25mm 例题20-2 将双缝用厚e、折射率分别为n1=1.4、n2=1.7的透明薄膜盖住，发现原中央明级处被第五级亮纹占据,如图20-5所示。所用波长=6000,问：原中央明级移到何处？膜

10、厚e=? (零级) 解 零级处,由s1和s2发出的两光线的光程差为零，由此推知， 原中央明级向下移到原第五级亮纹处。 现在,原中央处被第五级亮纹占据,这表明两光线到达中央处的光程差是5 ： =5=10-5m=(n2 -n1)e(零级)oen1n2e图20-5s1s219 例题20-2 将双缝用厚e、折射率分别为n二.洛埃镜图20-6E 明纹 暗纹 由于半波损失的存在，洛埃镜的明暗纹恰好与杨氏双缝相反。 当光从光疏媒质射到光密媒质并在界面上反射时，反射光有半波损失。 计算光程差时，另加(或减)/2；计算位相差时，另加(或减)。s *20二.洛埃镜图20-6E 明纹 暗纹 由于半波损20-3 薄膜

11、干涉 在阳光照射下，肥皂膜或水面上的油膜上面呈现美丽的彩色图案，这些都是常见的薄膜干涉现象。一.薄膜干涉公式 在反射光中， ab两束平行光线产生的光程差： 还须考虑光在薄膜上下表面的反射有无半波损失。 有一个半波损失, 反中就要另加(或减)/2。sBCDirAn3n2n1e图20-7反射光透射光2120-3 薄膜干涉 在阳光照射下，肥皂膜或 当n2 n1=n3时,反射光有一个半波损失， 反中就要另加(或减)/2。透射光没有半波损失。 而当n1n2n3或n1n2n1=n3时,反射光有一个半波损失， 综上所述，薄膜干涉的明、暗纹条件是： 式中：n2 薄膜的折射率；n1 入射媒质的折射率。i是入射角

12、。用入射角i来表示(P115), 则得薄膜干涉公式：+ 半 = 明纹 暗纹(k =0,1,2) 明纹 暗纹反射光透射光+ 半 = 明纹 暗纹(k=0,1,2) 明纹 暗纹反射光透射光(20-6)23 综上所述，薄膜干涉的明、暗纹条件是： 例题20-3 一平板玻璃(n=1.50)上有一层透明油膜(n=1.25)，要使波长=6000的光垂直入射无反射，薄膜的最小膜厚e=? 解 凡是求解薄膜问题应先求出两反射光线的光程差。对垂直入射，i =0，于是+ 半 =2en2无反射意味着反射光出现暗纹，所以n2=1.25(薄膜的折射率);要e最小，k =0(k=0,1,2,)=1200=1.210-7m1.5

13、0e1.2524 例题20-3 一平板玻璃(n=1.50)上 例题20-4 阳光垂直照射在空气中的肥皂膜上，膜厚e=3800, 折射率n2=1.33 ，问：肥皂膜的正面和背面各呈什么颜色？ 解 正面反射加强，有76001.33=在可见光范围内(77003900)的解为 k=1, k=2, =6739 红色 k=3, =4043 紫色 k=4,.25 例题20-4 阳光垂直照射在空气中的肥皂膜背面透射加强=反射减弱，于是有在可见光范围内(77003900)的解为 k=1, k=2, =5054 绿色 k=3, .76001.33=26背面透射加强=反射减弱，于是有在可见光范围内(77003 例题

14、20-5 光线以i =30入射到折射率n2=1.25的空气中的薄膜上。当波长1=6400时，反射最大；而当波长2=4000时，反射最小。求薄膜的最小厚度。 解 由于是空气中的薄膜，一定有半波损失，故+半 =用1时，用2时，由上面两式得: 27 例题20-5 光线以i =30入射到折射= 6983于是得要膜厚最小， 取k1=3，k2=44(2k1-1)=5k2 1=64002=400028= 6983于是得要膜厚最小， 取k1=3，k2=44(2二.增透膜与高反射膜 为了减少反射引起的光能损失，常在许多光学仪器(如照相机、摄像机等)的镜头上镀一层厚度均匀的透明薄膜(常用氟化镁MgF2, n=1.

15、38),用以增加透射，这个薄膜,就是增透膜。1.50e1.3855005500这是5500的黄绿光透射增强。 反射光加强的条件是镀膜时常采用光学厚度：只有k=2, =4100 紫色。 在阳光下观察照相机镜头呈现紫色就是这个道理。29二.增透膜与高反射膜 为了减少反射引起的光能损失， 与增透膜相反,在另一些光学系统中希望光学表面具有很高的反射率(如HeNe激光器要求反射99%)，这时可在元件表面多层镀膜以增强反射,这类薄膜称为增反膜或高反射膜。1317层MgF2 (1.38)1.50ZnS (2.35)图20-8MgF2 (1.38)ZnS (2.35)MgF2 (1.38)镀膜时, 要适当选择

16、每层膜的厚度, 使反射加强。30 与增透膜相反,在另一些光学系统中希望光学表面一.劈尖干涉 由于尖角 很小，空气膜很薄，故劈尖干涉仍可用薄膜公式求解。 当光线垂直入射时，在反射光中观察，有式中n2为空气膜的折射率。 1.入射光波长一定时，一条条纹(一个k)，对应 一个厚度，故称为等厚干涉。 图20-9e20-4 薄膜的等厚干涉 劈尖由两块平板玻璃组成。 明纹 暗纹(k=1,2)(k=0，1,2) 级次愈高(k愈大),对应的膜厚愈大。31一.劈尖干涉 3.任意两相邻亮纹(或暗纹)所对应的空气膜厚度差为 2.干涉条纹是明暗相间的平行直线条纹。此时叠合处为一暗纹。(20-7)明纹暗纹ekek+1le

17、图20-1032 3.任意两相邻亮纹(或暗纹)所对应的空气膜厚 4.设相邻两亮纹(或暗纹)间的距离为l，则有l sin =e明纹暗纹ekek+1le图20-10(20-8)l sin =即(20-7)33 4.设相邻两亮纹(或暗纹)间的距离为l，则有 例题20-6 制造半导体元件时,常常需要精确地测量硅片上的二氧化硅(SiO2)薄膜的厚度,这时可用化学方法把二氧化硅薄膜一部分腐蚀掉,使它成为劈尖状(见图20-11)。已知SiO2和Si的折射率分别为n2=1.57和n3=3.42,所用波长为=6000，观察到劈尖上共出现8条暗纹,且第八条暗纹恰好出现在斜面的最高点。求SiO2薄膜的厚度。解 由薄

18、膜公式，得：k=0,1,2,.此时尖顶处是亮纹还是暗纹？取k=7,得图20-11SiO2e1.573.42Si34 例题20-6 制造半导体元件时,常常需要精 例题20-7 在检测某工件表面平整度时,在工件上放一标准平面玻璃,使其间形成一空气劈尖，并观察到弯曲的干涉条纹，如图20-12所示。试根据条纹弯曲方向,判断工件表面上纹路是凹还是凸?并求纹路深度H。解 若工件表面是平的,等厚条纹应为平行于棱边的直线条纹。由于一条条纹对应 一个厚度，由图20-12的纹路弯曲情况可知，工件表面的纹路是凹下去的。 Hla图20-12工件标准平面 由图：H=asin 因 ：lsin =/2,所以纹路深度35 例

19、题20-7 在检测某工件表面平整度时,在 例题20-8 波长的光垂直入射折射率为n2的劈尖薄膜，n1 n2 ,n2 n3 ,如图20-13所示 。在反射光中观察，从尖顶算起，第二条明纹对应的薄厚是多少？解 由薄膜公式，有n3n2n1图20-13显然，取k=2; 于是第二条明纹对应的薄厚为36 例题20-8 波长的光垂直入射折射率为n二.牛 顿 环 在一块平玻璃B上放一曲率半径R很大的平凸透镜A,在A、B之间形成一层很薄的劈形空气层薄膜。 设平行光垂直入射空气薄膜, 在反射光中观察到一组以接触点o为中心的同心圆环(见图20-14),故称为牛顿环。 明环 暗环(k=1,2)(k=0，1,2.)=式

20、中n2为空气膜的折射率。oABR图20-14er37二.牛 顿 环 在一块平玻璃B上放一曲率半径R很大的 因R2=r2+(R-e)2=r2+R2-2Re+e2 由于Re,上式中e2可略去,因此得oABR图20-14er 明环 暗环(k=1,2)(k=0，1,2.)=(20-9)(k=1,2)(k=0,1,2)明环半径：暗环半径：38 因R2=r2+(R-e)2=r2+R2-2R 例题20-9 将牛顿环由空气移入一透明液体中，发现第8明环半径由1.40cm变为1.21cm，求该液体的折射率。解 由牛顿环的明环公式，得空气中：液体中：39 例题20-9 将牛顿环由空气移入一透明液体 例题20-10

21、 牛顿环装置由曲率半径(R1和R2)很大的两个透镜组成，设入射光波长为，求明暗环半径。解 由薄膜公式，得明环(k=1,2)暗环(k=0，1,2.)=由图20-15知：明环半径暗环半径e图20-15o1o2R2R1e1e2r40 例题20-10 牛顿环装置由曲率半径(R1 例题20-11 平板玻璃和平凸透镜构成牛顿环,全部浸入n2=1.60的液体中,凸透镜可向上 移动, 如图所示。用波长=500nm的单色光垂直入射。从上往下观察，看到中心是一个暗斑，求凸透镜顶点距平板玻璃的距离是多少。解 n2=1.60n=1.68n=1.58(k=0,1,2)中心处: e=eo, k=0eoe 凸透镜顶点距平板

22、玻璃的距离:=78.1nm41 例题20-11 平板玻璃和平凸透镜构成牛顿 M1和M2是两块平面反射镜,其中M2是固定的,M1可作微小移动。G1有一半透明的薄银层,起分光作用。G2起补偿作用。M1是M1对G1形成的虚像。M2和M1间形成一空气薄膜。 当M1、M2严格垂直时,M1和M2之间形成等厚空气膜,可观察到等倾条纹的圆形条纹;当M1、M2不严格垂直时,M1和M2之间形成空气劈尖,这时可观察到等厚干涉的直线条纹。21sG1G2图20-16M1M220-5 迈克耳逊干涉仪 时间相干性一.迈克耳逊干涉仪42 M1和M2是两块平面反射镜,其中M2是固定的(20-10) 迈克耳逊干涉仪有着广泛的用途

23、,如精密测量长度、测媒质的折射率、检查光学元件的质量和测定光谱精细结构等。 每当M1移动/2 ,光线1、2的光程差就改变一个，视场中就会看见一条条纹移过。 如果看见N条条纹移过，则反射镜M1移动的距离是21sG1G2图20-16M1M243(20-10) 迈克耳逊干涉仪有着广泛的用途,如精 例题20-12 把厚度为e、折射率为n=1.40的透明薄膜插入迈克耳逊干涉仪的一臂(一条光路)中，(1)求光线1、2光程差和位相差的改变量；(2)若插入薄膜的过程中，观察到7条条纹移过，所用波长=5890，求薄膜的厚度e=?解 (1) =2(n-1)e ;(2) 能否用下式求解：= 51538 应由: =2

24、(n-1)e=7 , 得：21sG1G2图20-16M1M2en44 例题20-12 把厚度为e、折射率为n=1二.时间相干性 前面讲到，由于原子发光的间歇性和随机性，不同原子发出的光是不相干的，同一个原子不同时刻发出的光也是不相干的。要得到相干光，只有将一个原子一次发出的光(一个波列)分为两束再使其相聚。 显然，要产生相干，两束光的光程差就必须小于一个波列长度： 波列长x = c t x相干长度45二.时间相干性 前面讲到，由于原子发光的间歇 问：为什么窗玻璃在阳光下看不见干涉条纹？ =(7900-3900)，=6000 算得相干长度： x =910-7m= 910-4mm 显然，光线在窗玻

25、璃上下反射后的光程差已远超过上述数值，故看不见干涉条纹。 HeNe激光： =6328， =10-7 相干长度： x =40km 可见，激光的相干性很好。 *20-6 偏振光的干涉和应用 (自学)46 问：为什么窗玻璃在阳光下看不见干涉条纹？ 20-7单缝的夫琅和费衍射 光在传播路径中遇到障碍物时,能绕过障碍物边缘而进入几何阴影传播,并且产生强弱不均的光强分布，这种现象称为光的衍射。一.光的衍射现象L衍射屏观察屏L图20-18*Sll 10-3 a*Sl衍射屏观察屏a图20-17L4720-7单缝的夫琅和费衍射 光在传播路径中遇二.惠更斯-菲涅耳原理 惠更斯原理：媒质中波所传到的各点都可看作是发

26、射子波的波源,其后任一时刻,这些子波的包迹就决定新的波阵面。 菲涅耳指出:波阵面上各点发出的子波在空间相遇时会产生干涉。“子波相干叠加”这就是惠更斯-菲涅耳原理。P点的合振动：P点的合成光强：I = E2Q设初相为零图20-19S(波前)dSpdE(p)48二.惠更斯-菲涅耳原理 惠更斯原理：媒质中波所衍射的分类光源障碍物观察屏有限远无限远有限远无限远有限远有限远菲涅耳衍射：无限远无限远夫琅和费衍射： 干涉和衍射的主要区别是什么？ 干涉是有限多条光线的相干叠加；衍射是无限多条光线的相干叠加。观察屏图20-20*S49衍射的分类光源障碍物观察屏有限远无限远有限远无限远有限远有三. 单缝的夫琅和费

27、衍射 平行于主轴的光线都会聚于o点,且没有光程差，故它们相互干涉加强,在o点处形成一平行于缝的明条纹,称为中央明纹。对衍射角 ，两边缘光线A、B的光程差是f图20-21opAbB*S设平行单色光垂直入射。C当衍射角 =0时，=BC=bsin50三. 单缝的夫琅和费衍射 菲涅耳半波带法2 相邻波带上对应点发出的平行光线会聚时的光程差都是/2，因而总是相干相消。由此得出结论： 两个相邻波带所发出的光线会聚于屏幕上时全部相干相消。 如果单缝被分成偶数个波带，相邻波带成对相干相消，结果是单缝上发出的光线全部相干相消，屏幕上对应点出现暗纹。如果单缝被分成奇数个波带，相邻波带相干相消的结果，还剩下一个波带

28、的作用，于是屏幕上对应点出现亮纹。 这样，BC是/2的几倍，单缝相应就被分成等宽的几个窄带,这 个窄带称为菲涅耳半波带。22ABbC 作一系列相距/2且垂直于BC的平面,51菲涅耳半波带法2 相邻波带上对应点发出的平行 综上所述，单缝衍射明暗纹的中心位置是:暗纹 (k=1,2,3,) 亮纹 (k=1,2,3,) (20-11)零级(中央)亮纹 直线条纹波带数注意：1.k=1.2.明暗3. .4.波带数f图20-22opAbB*SC52 综上所述，单缝衍射明暗纹的中心位置是:暗纹 中央明纹又亮又宽(约为其它明纹宽度的2 倍)。中央两旁，明纹的亮度随着级次的增大迅速减小。这是由于k越大,分成的波带

29、数越多,而未被抵消的波带面积越小的缘故。1.光强分布 sin相对光强曲线1.0obb2b2b图20-2353 中央明纹又亮又宽(约为其它明纹宽度的2 倍)。2.中央亮纹宽度 中央亮纹范围：中央两旁两个第一级暗纹间的区域，即 - bsin (很小, 有sin ) 中央亮纹半角宽度： 中央亮纹的线宽度：(20-12)x单缝透镜观测屏fb图20-24542.中央亮纹宽度 中央亮纹范围：中央两旁两个第一级暗纹间 例题20-13 波长为的单色光垂直入射到一狭缝上，若第一级暗纹对应的衍射角为30，求狭缝的缝宽及对应此衍射角狭缝的波阵面可分为几个半波带。解 由单缝的暗纹条件：k=1, =30,算得：b =2

30、 。 (半)波带数=(半)波带数=2 若不知某处是明纹还是暗纹，则计算波带数的方法是：2k=2 。55 例题20-13 波长为的单色光垂直入射 例题20-14 平行单色光垂直入射在缝宽b=0.15mm的单缝上,缝后透镜焦距f =400mm。在焦平面上的屏幕上测得中央明纹两侧的两条第三级暗纹间的距离是d=8mm, 求:(1)入射光的波长; (2)中央明纹的线宽度; (3)第二级暗纹到透镜焦点的距离。 解 (1)第三级暗纹位置： bsin =3 很小sin opf图20-25x=500056 例题20-14 平行单色光垂直入射在缝宽b第二级暗纹到焦点的距离:=2.67mm (2)中央明纹的线宽度:

31、 b=0.15mm, f =400mm, =5000=2.67mm(3)第二级暗纹到透镜焦点的距离。第二级暗纹位置： bsin =2很小sin opf图20-25x57第二级暗纹到焦点的距离:=2.67mm (2)中央明纹的线 例题20-15 一单缝缝宽b=0.6mm，缝后凸透镜的焦距f=40cm。单色平行光垂直照射时，距中心o点x=1.mm的P点处恰为一明纹中心,求入射光的波长及对应P点单缝被划分为几个半波带。 解 由单缝衍射明纹公式 很小sin在可见光波波长范围，取 k=3，=6000,相应单缝被划分为7个半波带； k=4，=4667,相应单缝被划分为9个半波带。opf图20-26x58

32、例题20-15 一单缝缝宽b=0.6mm，20-8 光 栅 衍 射 大量等宽、等间距的平行狭缝的集合光栅。实用的光栅每厘米有成千上万条狭缝。 b 透光缝宽度； a 不透光部分宽度； d=(a+b) 光栅常数。 光栅分为 透射光栅 反射光栅一.光 栅baf图20-27oEp5920-8 光 栅 衍 射 大量等宽、等间距 每条狭缝有衍射，缝间光线还有干涉，可以证明： 屏上合成光强 =单缝衍射光强缝间干涉光强 设平行光线垂直入射。二.透射光栅baf图20-27oEp 对于缝间干涉，两相邻狭缝光线的光程差：d=k , 主极大(亮纹)( k=0,1, 2,) dsin (20-13)上式称为光栅方程。6

33、0 每条狭缝有衍射，缝间光线还有干涉，可以证明：设平行dsin =k , 主极大(亮纹) ( k=0,1, 2,) 1.光栅方程的物理意义： 光栅方程是衍射光栅合成光强出现亮纹(主极大)的必要条件。 屏上合成光强 =单缝衍射光强缝间干涉光强 61dsin =k , 主极大(亮纹) ( k=0,1缝数愈多，亮纹愈细。0I-2-112单缝衍射光强bsin /lk=图20-28(a)dsin /l04-8-48多缝干涉光强 亮纹(主极大)k=(b)IN2I0单048-4-8dsin(l/d)单缝衍射 轮廓线光栅衍射光强曲线k=dsin /l(c)62缝数愈多，亮纹愈细。0I-2-112单缝衍射光强b

34、sin 光栅衍射的光强分布具有下述特点:亮纹又亮又细，中间隔着较宽的暗区(即在黑暗的背景上显现明亮细窄的谱线)。这些谱线的亮度受到单缝衍射因子的调制。 2.谱线的缺级 dsin =k , (光栅)亮纹( k=0,1, 2,) bsin =k , (单缝)暗纹( k=1, 2,)则缺的级次为(20-14)IN2I0单048-4-8dsin(l/d)单缝衍射 轮廓线光栅衍射光强曲线k=(dsin)/l图20-28 (c)63 光栅衍射的光强分布具有下述特点:亮纹又亮又细 例：(1)a=b, d=a+b=2b, 则k=2k =2,4,6,级缺。 (2)a=2b, d=a+b=3b, 则k=3k =3

35、,6,9,级缺。 三.光栅光谱 如果用白光照射光栅,由光栅方程 dsin =k , 亮纹( k=0,1, 2,) 可知,同一级谱线中，不同波长的谱线出现在不同的角处(中央零级除外),由中央向外按波长由短到长的次序分开排列，形成颜色的光带光栅光谱。这就是光栅的色散特性。k=0k=1k=2k=3k=-1k=-2k=-3图20-29(20-14)64 例：(1)a=b, d=a+b=2b, 则k 如果不同的波长1 ，2同时满足： dsin =k11= k22这表明：1 的k1级和2的 k2级同时出现在一个 角处，即1和2的两条谱线发生了重叠，从而造成光谱级的重叠。 在可见光范围内，第二、三级光谱一定

36、会发生重叠。级次愈高，重叠愈复杂。 如：dsin =34000= 26000四.光谱级的重叠k=0k=1k=2k=3k=-1k=-2k=-3图20-2965 如果不同的波长1 ，2同时满足：四.光谱 例题20-16 波长=6000的单色平行光垂直照射光栅，发现两相邻的主极大分别出现在sin 1=0.2和sin 2=0.3处，而第4级缺级。求： (1)光栅常数 d=？ (2)最小缝宽 b=？ (3)屏上实际呈现的全部级别和亮纹条数。 解 (1) dsin 1 =k , dsin 2=(k+1)于是求得光栅常数=10=610-6m(2)因第4级缺级，由缺级公式：=4，取k =1(因要b最小)求得：

37、b=d/4 =1.5-6m66 例题20-16 波长=6000的单色平 由光栅方程： dsin =k 最大k对应 =90，于是 kmax=d /=10 缺级： d=610-6m b=1.510-6m 屏上实际呈现: 0，1，2，3，5，6，7，9共8级，15条亮纹(10在无穷远处，看不见)。 (3)屏上实际呈现的全部级别和亮纹条数: baf图20-27oEp67 由光栅方程： dsin =k 例题20-17 一光栅每厘米有200条狭缝，透光缝缝宽b=2.510-5m,所用透镜焦距f =1m,波长=6000的光垂直入射。求：(1)单缝衍射的中央明纹宽度x=？ (2)在此中央明纹宽度内共有几个主极

38、大？= 0.048m (2) d=10-2/200 =510-5m 故所求的主极大是：3个(k=0 ,1)。dsin =k , k= 0,1,2, bsin =缺级：k=2解 (1)由中央明纹宽度公式图20-3068 例题20-17 一光栅每厘米有200条狭 例题20-18 用白光(=4000 7000)垂直照射一光栅常数为d=1.210-5m的光栅，所用透镜焦距f =0.6m,求第2级光谱与第3级光谱的重叠范围。k=370004000 先求重叠的波长范围,再求重叠区域的宽度。 由公式 : dsin =k11= k22 第2级光谱被第3级光谱重叠的波长范围： 6000 7000 第3级光谱被第

39、2级光谱重叠的波长范围： 4000 4667解k=240007000.k=0中央图20-3169 例题20-18 用白光(=4000 x因很小，所以 x/f=tg sin代入上面两式得 d.x1/f=31， d.x2/f=22重叠区域的宽度： x=x2-x1=f(22 -31)/d=10mm x=4000的第3级与 7000的第2级谱线间的距离。 dsin 1=31， 1=4000 dsin 2=22， 2=7000重叠区域的宽度:k=370004000k=240007000.k=0中央图20-31p图20-32oEfx70 x因很小，所以 x=4000的第3级与 700 例题20-19 用每

40、毫米有300条刻痕的衍射光栅来检验仅含有属于红和兰的两种准单色成分的光谱。已知红光波长在0.630.76m范围内，兰光波长在0.430.49m范围内。当光垂直入射时，发现在22.46角度处，红兰两谱线同时出现。求： (1)在22.46角度处，同时出现的红兰两谱线的级次和波长； (2)如果还有的话，在什么角度还会出现这种复合光谱？解 (1) dsin22.46 =1.38 m =k 对红光： k=2, r=0.69m 对兰光： k=3, b=0.46m71 例题20-19 用每毫米有300条刻痕的 (2)如果还有的话，在什么角度还会出现这种复合光谱？dsin=krr =kbb这种复合光谱:r=0.69m , b=0.46m dsin22.46 =1.38 m =k 对红光： k=2, r=0.69m 对兰光： k=3, b=0.46m3kr =2kb第一次重迭: kr =2, kb=3第二次重迭: kr =4, kb=6没有第三次重迭, 因为若=90 对红光： kmax=d/0.69=4.8, 取kmax=4 对兰光： kmax=d/0.46=7.2, 取kmax=772 (2)如果还有的话，在什么角度还会出现这种复d=3.33m , r=0.69m, b=0.46m第一次重迭: kr =2, kb=3第二次重迭: kr =4, kb=6 dsin=