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()光的衍射

1.惠更斯-菲涅耳原理

菲涅耳在惠更斯原理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步假定,從同一波陣面上各點所發(fā)出的子波,經(jīng)傳播而在空間某點相遇時,也可相互疊加而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這個經(jīng)過發(fā)展了的惠更斯原理稱為惠更斯一菲涅耳原理。它指出在衍射波場中出現(xiàn)衍射條紋的明暗,實質(zhì)上是子波干涉的結(jié)果。

2.單縫衍射

如圖8ab為單縫截面,其寬度為a, 在緊靠單縫處放置一透鏡,在透鏡的焦平面上放置一光屏。波長為λ的單色平行光垂直入射到單縫上,由不同子波波源發(fā)出的傳播方向相同的衍射光線,經(jīng)過透鏡后會聚于光屏上,相互疊加產(chǎn)生干涉。若滿足相互加強(qiáng),則在屏上出現(xiàn)明條紋;若相互消弱, 則形成暗條紋,這種衍射稱為弗朗禾費衍射。

 (1)屏上出現(xiàn)衍射明、暗條紋的條件

透鏡是為了將不同的衍射角的各組平行光線會聚在屏上的不同處。光通過透鏡不會引起附加的光程差,于是會聚處是明是暗只決定于對應(yīng)的平行光束中各衍射光線間的相互干涉情況。這類問題可用"波帶"法來解決。

所謂"波帶"是將波陣面 (即寬度為α的單縫平面)分成若干個等分的發(fā)光帶,而相鄰兩個發(fā)光帶對應(yīng)位置發(fā)出的光,其光程差為λ/2, 這樣被等分成的每一個發(fā)光帶稱為一個"半波帶"。如圖9所示,平行光到達(dá)寬度為α的單縫ab,其中衍射角為φ的一束平行光,經(jīng)透鏡會聚在屏幕中央上方的p處。作ac平面垂直于波線。設(shè)以λ/2為單位將縫ab的兩條邊緣光線的光程差bc剛好分為三等分,bc滿足asinφ=3/2λ

 

8                                              9

過每一等分點,作ac的平行線,則縫平面ab也被相應(yīng)地分成三等分aaaa’’a’’b (每一等分為一個"波帶")。相鄰兩個波帶的光在p處相消,而剩下第三個波帶的光對p處的亮度有貢獻(xiàn),所以p處為明紋。由此可知,當(dāng)縫ab被分成奇數(shù)個波帶時,屏上p處為明紋,單縫從a點和b點沿φ角方向發(fā)出的兩條邊緣光線的光程差滿足

              15          

k=1,稱一級衍射明紋,其余依次類推。

當(dāng)縫平面ab被分成偶數(shù)個波帶時,相鄰兩波帶的對應(yīng)光線在屏上相遇處兩兩相消, 因此該處為暗紋。暗紋條件下,單縫兩條邊緣光線的光程差滿足

              16

k=1,稱一級衍射暗紋,其余依次類推。

當(dāng)縫ab兩條邊緣光線的光程差在之間(在兩條一級衍射暗紋之間) ,則屏幕上相應(yīng)區(qū)間為中央明紋,此時角度滿足

                     17

(2)明紋寬度

相鄰兩級衍射暗紋中心之間距就是明紋的寬度。除中央明紋外,其余各級的明紋寬度為

                             18

式中f為透鏡的焦距, λ為人射單色光的波長,α為單縫的寬度。 中央明紋的寬度為其他各級明紋寬度的兩倍。條紋亮度隨級次的增大而減弱。

   11  單縫衍射圖樣

(3)單縫寬度a對衍射條紋的影響

由式(15)可見,當(dāng)入射單色光的波長λ一定時,在單縫寬度α愈小時,相應(yīng)各級衍射明紋的φ角就愈大,也就是光的衍射現(xiàn)象愈顯著。反之,在α愈大時,各級衍射明紋對應(yīng)的φ角愈小,這些明紋都向中央明紋靠攏,衍射現(xiàn)象愈不明顯;若α»λ,各級衍射明紋全部并入中央明紋區(qū)域,該區(qū)域被均勻照亮,這時光可看作是直線傳播的。

 (4)用白光照射單縫

當(dāng)單縫寬度α一定時,對于同一級衍射明紋,入射光的波長愈大,則相應(yīng)的衍射角φ愈大因此,以白光照射時,中央明紋的中心處為白色,在中央明紋兩側(cè)出現(xiàn)由紫到紅的彩色條紋,離中心最近的是紫色條紋,最遠(yuǎn)的是紅色條紋。這組彩色條紋稱為衍射光譜。

【例題】若對應(yīng)于衍射角,單縫處的波面可劃分為5個半波帶,則單縫的寬度為a為:

a 2λ                      b 3λ                    c 5λ                     d 6λ 

答案 c

分析:單縫處的波面可以劃分為5個半波帶,這是亮紋的情況,由單縫衍射的明紋條件,

,k=2,代入求得單縫寬度為5λ。

【例題】一束單色平行光垂直照射在寬度為1.0mm的單縫上,在縫后放一焦距為2.0m的會聚透鏡,中央明紋寬度為2mm,則入射光波長約為

a 1000nm                 b 400nm                 c 500nm                  d 600nm

答案c

分析:中央明紋, ,則,入射波長

3.衍射光柵

(1)光柵常數(shù)

光柵是由大量的等寬、等間距的單縫所組成的光學(xué)器件,縫寬(單縫的透光部分)α與縫間距(兩相鄰單縫之間不透光部分) b之和(α+b)稱為光柵常數(shù)。光柵常數(shù)越小, 單位長度的單縫數(shù)越多,光柵越精致。

(2)光柵衍射在屏上出現(xiàn)明、暗條紋的條件

單色平行光垂直照射在光柵上,經(jīng)凸透鏡會聚,在位于透鏡焦平面的光屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋,稱為光柵衍射條紋, 如圖11所示。光柵衍射條紋的明、暗是單縫衍射和光柵各縫間干涉的總效果。

11

   

 
 


①當(dāng)衍射角為φ時,若滿足

          (19)

 

則屏上的p點出現(xiàn)明條紋。

(α+b)越小,透光縫數(shù)n越多,條紋越細(xì)、越亮, 條紋之間分得越開。

②若衍射角φ使得

其中m = 1,2,…, (n - 1) , (n + 1) ,…(2n -1) ,(2n+ 1) kn-1,(kn+1)……(n為光柵的縫數(shù))

 

p點為暗條紋,在光柵兩條明條紋之間出現(xiàn)(n-1)條暗條紋。

③如果角度φ滿足明條紋條件,

但對每一單縫來說,兩條邊緣光線到達(dá)該點的光程差恰好滿足暗條紋條件,

組成光柵的每一單縫,在屏上的p點是暗紋。單縫的貢獻(xiàn)都為零,所以該位置點本應(yīng)出現(xiàn)的明條紋在屏上不再出現(xiàn),這種現(xiàn)象稱為缺級。

缺級的條件是

=整數(shù)               (20

)

光柵公式作幾點討論:

1)一定波長的單色光垂直入射光柵時,若光柵的光柵常數(shù)(α+b)較大,則各級明條紋對應(yīng)的衍射角φ都較小,因此,相鄰明條紋之間的間距較小;反之,光柵的光柵常數(shù)越小,相鄰明條紋對應(yīng)的衍射角φ相差越大,條紋之間的距離就越大。

2)給定光柵,即光柵常數(shù)一定,對于同一級明紋(k一定)入射光波長較大時,相對應(yīng)的衍射角φ也較大;反之,波長較小時,相對應(yīng)的衍射角φ也較小。用白光照射光柵時,除中央明紋外,其他各級明條紋都形成彩色的光譜(紫光的衍射角較小,紅光的衍射角較大)

3)由于,因此光柵常數(shù)與入射光波長一定時,  k值不可能是無限的,即明條紋的數(shù)目是有限的。

【例題】一衍射光柵,每厘米內(nèi)有200條透光縫,每條透光縫寬為,則在單縫衍射中央明紋寬度內(nèi),出現(xiàn)的主極大數(shù)目為:

a 1                      b 2                       c3                   d4

答案 c

分析:本題綜合性較強(qiáng),先要求出光柵常數(shù),由題目給出是200條透光縫,光柵常數(shù)。要記清,中央明紋的寬度是由單縫來決定的,題目中單縫寬度確定了,那么中央明紋邊緣處對應(yīng)的角度也就確定了,由可以得到,中央明紋邊緣對應(yīng)的角度值滿足,光柵衍射主極大公式為代入可得k=2, 這說明k=2對應(yīng)的主極大剛好與單縫衍射的第一級暗紋重合,將發(fā)生缺級現(xiàn)象。那么中央明紋間共有3條主極大,分別是k=0,±1對應(yīng)的3個主極大。

4.小圓孔衍射、光學(xué)儀器分辨率

單色平行光垂直入射在小圓孔上,經(jīng)凸透鏡會聚,在位于透鏡焦平面的屏幕上出現(xiàn)明暗交替的環(huán)紋,中心光斑稱為愛里斑。

12

   

 
 


入射光波長為λ,圓孔直徑為d, 透鏡焦距為f, 愛里斑直徑為d, 如圖12所示,愛里斑對透鏡光心張角2θ

          21

13

   

 

如果一個點光源的衍射圖樣,其中央最亮處(愛里斑中心)恰好與另一個點光源的衍射圖樣中的第一個最暗處相重合, 如圖13所示, 這時兩個點光源,恰好能被儀器分辨 (該條件稱瑞利準(zhǔn)則)。此時,兩個點光源的衍射圖樣的中央最亮處 (兩個愛里斑的中心)之間的距離為愛里斑的半徑,兩個點光源對透鏡光心的張角為

             (22)

14

式子中稱為最小分辨角,最小分辨角的倒數(shù)稱為儀器的分辨率, 23

可見,最小分辨率與波長λ成反比,與孔徑d成正比。提高分辨率的方法是增加孔徑d,或使用短波長光源照射。

5. x射線的衍射、布拉格公式

x射線波長范圍在0.01—10nm之間。由于其波長很短,普通光柵的光柵常數(shù)d遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其波長,因而用普通光柵是無法觀察到x射線的衍射現(xiàn)象的。

x射線的光柵衍射,只能利用晶體才能實現(xiàn)。

16

如圖16所示,波長為λ的x射線投射到晶體上時,晶體中的原子就成為子波的波源,向各個方向發(fā)出散射波??梢宰C明,從所有各平行層上散射的x射線,只有滿足(24)式條件時才能相互增強(qiáng)。

         24

式子中d為相鄰兩原子平面層的間距,又稱晶格常數(shù);θ為入射x光的掠射角。該公式稱為布拉格公式。如果已知d,θ,則可以計算出x射線的波長λ;反之,已知θ,λ,也可求晶格常數(shù)d。

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