第4节 光的衍射.pptVIP

（2）人类正在建造新一代太空望远镜韦布，计划于2012年利用欧洲航天局的 “阿丽亚娜5号”火箭发射, 在距离地球150万公里的遥远轨道上运行，以代替将要退役的哈勃望远镜 . 设计中的韦布太空望远镜的主透镜直径至少为 6m , 也可在红外频率下工作，问与哈勃望远镜相比韦布望远镜的分辨率预计可以提高多少倍？ 提高的倍数为 解 太空望远镜 14 – 7 圆孔衍射 光学仪器分辨率 4.5.1　光栅衍射 4.5.2　明纹条件 光栅方程 4.5.3　光栅光谱 4.5.4　缺级问题 4.5.5　光栅的衍射光强分布　 4.5　衍射光栅 光栅：许多等宽度、等距离的狭缝排列起来形成的光学元件. 衍射角 光栅常数 大小 4.5.1　光栅衍射 在单缝衍射中，若缝较宽，明纹亮度虽较强，但相邻明条纹的间隔很窄而不易分辨；若缝很窄，间隔虽可加宽，但明纹的亮度却显著减小。 在这两种情况下，都很难精确地测定条纹宽度，所以用单缝衍射并不能精确地测定光波波长。 那么，我们是否可以使获得的明纹本身既亮又窄，且相邻明纹分得很开呢？利用光栅可以获得这样的衍射条纹。 广义地说，具有周期性空间结构或光学性能（透射率，反射率和折射率等）的衍射屏，统称为光栅。 光栅的种类很多，有透射光栅、平面反射光栅和凹面光栅等。构造光栅有许多方法。 光栅是光谱仪、单色仪及许多光学精密测量仪器的重要元件。 4.5.1　光栅衍射 透射光栅是由大量等间距、等宽度的平行狭缝所组成的光学元件。 若透光部分的狭缝宽度为 a，挡光部分的宽度为b ，那么每两条狭缝间距离 d = a+b 称为光栅常数。 一般情况，光栅常数的值很小，例如，在1cm的平板上刻有1万条等宽等间距的平行狭缝，那么 4.5.1　光栅衍射 平行单色光垂直照射在光栅G上，光栅后面的衍射光束通过透镜L2后会聚在透镜焦平面处的屏E上，并在屏上产生一组明暗相间的衍射条纹。 光栅中狭缝条数越多，明纹越亮. 1条缝 2条缝 3条缝 5条缝 6条缝 20条缝 亮纹的光强 ：单缝光强） （　：狭缝数， 4.5.1　光栅衍射 一般说来，这些衍射条纹与单缝衍射条纹相比有明显的差别，其主要特点是：明纹很亮很细，明纹之间有较暗的背景，并且随着缝数的增加，屏上明纹越来越细，也越来越亮，相应地，这些又细又亮的条纹之间的暗背景也越来越暗。 如果入射光有波长不同的成分组成，则每一波长都将产生和它对应的又细又亮的明纹，即光栅有色散分光作用。 正是由于光栅衍射条纹这一特点，促使近几十年来光栅刻制技术飞速发展，迄今已能在1mm内刻制数千条平行狭缝。 4.5.2　明纹条件 光栅方程 平行单色光垂直入射到光栅上，使光栅成一波阵面，考虑到所有缝发出的沿与光轴成 θ角的方向的光线经透镜后会聚于 P 处。 4.5.2　明纹条件 光栅方程 下面讨论一下在屏上 P 处出现光栅衍射明条纹所应满足的条件。 两相邻狭缝发出的沿 θ 角衍射的平行光，当它们会聚于屏上 P 点时，其光程差为 θ称为衍射角 若光程差恰为入射光波长 的整数倍，则这两束光线相互加强。 显然，其它任意相邻两缝沿 θ方向的衍射光也将会聚于相同点 ，且光程差亦为光波长的整数倍，它们的干涉效果也都是相互加强的。 4.5.2　明纹条件 光栅方程 光栅衍射明纹的条件是衍射角θ 必须满足光栅方程 对应于 k=0 的条纹叫中央明纹， k=1,2,……的明纹分别叫第一级、第二级、…明纹，亦称为各级主极大。正、负号表示各级明纹对称分布在中央明纹两侧。 4.5.3　光栅光谱 对于一个确定的光栅，光栅常数 确定。 由光栅方程式知，同一级谱线的衍射角θ 的大小与入射光的波长有关。 用白色光照射光栅时，由于白色光中包含的不同波长的单色光产生衍射角各不相同的明纹。 因此除了中央明纹外，将形成彩色的光栅条纹，叫做光栅光谱。 因为各波长的中央明纹的衍射角都为零，是重叠的，所以光栅光谱的中央仍是白色明纹。 入射光为白光时， 不同， 不同，按波长分开形成光谱. 一级光谱 二级光谱 三级光谱 衍射光谱 4.5.3　光栅光谱 中央明纹的两侧，对称地排列着第一级光谱、第二级光谱、…。 各级光谱中，都包含了几条波长由小到大的彩色明条纹。 由于各谱线间的距离随光谱的级数而增加，所以级数较高的光谱彼此有所重叠。 例如　二级光谱重叠部分光谱范围 二级光谱重叠部分: 一级光谱 二级光谱 三级光谱 4.5.3　光栅光谱 观察光栅光谱的实验装置称为光栅光谱仪。 探测的结果发现，不同元素的物质有不同的光谱。 测定光谱中各谱线的波长和相对强度，可以确定发光物质的成分及其含量。 而通过测定物质中原子或分子的光谱，又可以揭示原子或分子的内部结构和运动规律。 4.5.4　缺级问题 如果满足光栅方程 的 θ 角同时又满足单缝