衍射的应用ppt课件

3.4 衍射的应用,3.4.1 衍射光栅- -光谱仪 3.4.2 波导光栅 3.4.3 全息光栅 3.4.4 波带片 3.4.5 微光学透镜,返回第3章,1,3.4.1 衍射光栅- -光谱仪,1.衍射光栅 1)光栅概述 2)光栅方程 3)衍射光栅的分光原理 2.闪耀光栅 1)闪耀光栅的结构 2)闪耀光栅的闪耀原理 3.光谱仪 1)光谱仪概述 2)光栅光谱仪的特性,2,1、衍射光栅 1)光栅概述,衍射光栅 一种应用非常广泛、非常重要的光学元件，主要用作分光(从远红外到真空紫外)元件，还可用于长度和角度的精密测量、自动化测量及调制元件； 工作基础：夫朗和费多缝衍射效应。 光栅 狭义：由大量等宽、等间隔的狭缝构成的光学元件。 世界上最早的光栅是夫朗和费在1819年制成的金属丝栅网，现在的一般光栅是通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等间距的刻痕制成。 广义：凡是能使入射光的振幅或相位，或者两者同时产生周期性空间调制的光学元件。 基于此，出现了所谓的晶体光栅、超声光栅、晶体折射率光栅等新型光栅。,3,光栅的分类,按工作方式分 透射光栅 反射光栅 按对入射光的调制作用分 振幅光栅 相位光栅 光栅常数- -d 在光学光谱区采用的光栅刻痕密度为0.22400条/mm，实验室研究工作中常用的是600条/mm和1200条/mm，总数为 5104条； 刻痕的倒数即是光栅常数d;,返回,4,2)光栅方程,在光栅光强分布函数中，光强出现主最大值的条件是,- -光栅方程,使用光栅研究光谱时，若测出衍射角，即可计算出光波的波长。- -光栅的应用之一,光栅方程的实质 相邻两缝产生的沿衍射光束间的光程差为dsin ；,dsin =m- -相邻两缝衍射光干涉相长的条件,5,不同入射情况下的光栅方程(透射),图(a)入射光正射光栅。此时，相邻两缝衍射光束间的光程差为dsin，光栅方程： dsin=m- -两束光干涉相长的条件 图(b)入射光以0角斜射，衍射光与入射光在法线的同侧时。两相邻缝衍射光束间的光程差为： d(sin+sin0)。故对应的光栅方程为： d(sin+sin0)=m，m=0，1，2 图(c)入射光以0角斜射，衍射光与入射光在法线的异侧时。两相邻缝衍射光束间的光程差为： d(sin-sin0)。故对应的光栅方程为： d(sin-sin0)=m，m=0，1，2,返回,当入射光与衍射光在光栅法线的同侧(异侧)取“+”(“-”)号。 反射光栅亦如此。,6,3)衍射光栅的分光原理,可见，对于给定光栅常数d的光栅，当用复色光照射时，除零级衍射光外，不同波长的同一级衍射光不重合，即发生“色散”现象，这就是衍射光栅的分光原理。 对应于不同波长的各级亮线称为光栅谱线，不同波长光谱线的分开程度随着衍射级次的增大而增大，对于同一衍射级次而言，波长大者，大，波长小者，小。,- -光栅方程,每块光栅在入射角0给定的情况下，最大光谱级为,可见，00时，正/负级光谱的级数是不相等的。,返回,7,白光光栅光谱,由光栅方程可得，sinsin0=m/d. 0级(m=0)光谱仍是白色，透射光栅0级在入射光方向上、反射光栅0级在反射光方向上，且无色散； 各级光谱m=1，2对称地分列两旁； 同一级光谱，按波长由近向远排列(紫-红)； 除j=1级光谱外，其余各级有重叠现象 二级光谱的600-760nm与三级光谱的400-506.7nm重叠。,8,2、闪耀光栅 1) 闪耀光栅的结构,闪耀光栅又称炫耀光栅、定向光栅，是一种相位型光栅。 平面光栅的不足 平面光栅(透射、反射)衍射的零级主极大，无色散作用，不能用于分光，光栅分光必须利用高级主极大。 由多缝衍射的强度分布已知，多缝衍射的零级主极大占有很大的一部分光能量，可用于分光的高级主极大的光能量较少，大部分能量将被浪费。,在实际应用中必须改变通常光栅的衍射光强度分布，使光强度集中到有用的那一光谱级上去。 1888年瑞利指出理论上有可能把能量从(对分光)无用的零级主极大转移到高级谱上去，1910年伍德(Wood)成功地刻制出了形状可以控制的沟槽，制成了闪耀光栅。,9,平面光栅不足的原因,平面衍射光栅的零级主极大占有很大的一部分光能量，是由干涉零级主极大与单缝衍射主极大重合而造成的； 这种重合的起因是干涉和衍射的光程差均由同一衍射角决定。,如图3-37(a)所示,光沿任一角度入射时，衍射单缝的缝两边缘点之间的光程差为,多缝干涉的相邻缝之间的光程差为,可见，=时，两个主极大(单缝衍射主极大与干涉零级主极大)的方向一致。如何改变？,10,闪耀光栅的结构,图3-39(a)所示的、在平面玻璃上刻出锯齿形细槽构成的透射式闪耀光栅； 和图3- 39(b)所示的、在金属平板表面刻出锯齿槽构成的反射式闪耀光栅； 可以通过折射和反射的方法，将干涉零级与衍射中央主极大位置分开。,返回,在这种结构中，光栅面和锯齿槽面方向不同； 光栅干涉主极大方向是以光栅平面法线方向为其零级方向； 衍射的中央主极大方向则是由刻槽面法线方向等其它因素决定。,11,2) 闪耀光栅的闪耀原理,图3-40所示，反射式闪耀光栅,以其为例，说明如何实现干涉零级和衍射中央主极大方向的分离。 假设锯齿形槽面与光栅平面的夹角为0(该角称为闪耀角)，锯齿形槽宽度(也即刻槽周期)为d， 则对于按角入射的平行光束A来说，其单槽衍射中央主极大方向为其槽面的镜反射方向B。 ,12,如何实现干涉零级和衍射中央主极大方向的分离？,干涉主极大方向，决定于光栅方程,若希望B方向是第m级干涉主极大，则,B方向也是衍射主极大方向，且=。,- -单槽衍射中央主极大方向同时为第m级干涉主极大方向所应满足的关系式。,讨论,13,讨论,若光沿槽面法线方向入射，则=0，=0。上式简化为,返回,- -主闪耀条件,0称为光栅的闪耀角，波长M称为光栅的闪耀波长， m称为闪耀级次。 可见，对一定结构(0)的闪耀光栅，其闪耀波长M，闪耀级次m和闪耀方向均由该方程确定。,说明 通常所称光栅的闪耀波长，是指光垂直槽面入射时的一级闪耀波长b，b/2、b/3称为二级、三级闪耀光谱； 由于单槽衍射主极大到极小有一定宽度，故闪耀波长附近一定波长范围内的谱线也得到不同程度的闪耀。,14,3、光谱仪 1)光谱仪概述,光谱仪是一种利用光学色散原理设计制作的光学仪器； 主要用于研究物质的辐射，光与物质的相互作用，物质结构， 物质含量分析，探测星体和太阳的大小、质量、运动速度和方向等。 从应用范围分类 发射光谱分析用光谱仪：包括看谱仪，摄谱仪和光电直读光谱仪 吸收光谱分析用光谱仪：包括各种分光光度计。 从光谱仪的出射狭缝分类 单色仪：一个出射狭缝；多色仪：两个以上出射狭缝；摄谱仪：没有出射狭缝。 按其应用的光谱范围分类 真空紫外光谱仪、近紫外光谱仪、可见光谱仪、近红外光谱仪，红外和远红外光谱仪。 最近问世的微型光纤光谱仪属于光电直读式光谱仪。,15,光谱仪的组成,主要由三部分组成： 光源和照明系统、分光系统、接收系统。,光源：在发射光谱学中是研究的对象，在吸收光谱学中则是照明工具。 分光系统：是光谱仪的核心，由准直光管，分光单元和暗箱组成。如上图，整个分光系统置于暗箱中，以消除杂散光的干扰。 分光单元有三类：一类是棱镜分光，- -棱镜光谱仪，现已很少使用；另一类用衍射光栅分光，- -光栅光谱仪，目前广泛使用；第三类是频率调制的傅里叶变换光谱仪，这是新一代的光谱仪。 接收系统：,16,光谱仪的接收系统,接收系统：是用于测量光谱成分的波长和强度，从而获得被研究物质的相应参数。 有三类接收系统： 基于光化学作用的乳胶底片摄像系统； 基于光电作用的CCD等光电接收系统； 基于人眼的目视系统，它也被称为看谱仪。,返回,17,2)光栅光谱仪的特性,右图所示，里特罗自准直光谱仪， (a)中的透镜L起着准直和会聚双重作用，光栅G的槽面受准直平行光垂直照明； 图(b)中采用了凹面反射镜， 可用于红外光区和紫外光区。 光栅光谱仪的主要性能指标：色散本领、分辨本领和自由光谱范围。,返回,18,(1)色散本领,是指光谱仪将不同波长的同级主极大光分开的程度，通常用角色散和线色散表示。 角色散d/d。 波长相差1埃(0.1nm)的两条谱线分开的角距离称为角色散。 光栅的角色散可由光栅方程对波长取微分求得,线色散,此值愈大，角色散愈大，表示不同波长的光被分得愈开。,可见，光栅的角色散与光谱级次m成正比，级次愈高，角色散就愈大；与光栅刻痕密度1/d成正比，刻痕密度愈大(光栅常数d愈小)，角色散愈大。,19,线色散dl/d,指在聚焦物镜的焦平面上，波长相差1埃(0.1nm)的两条谱线分开的距离称为线色散。,返回,长焦物镜可以使不同波长的光被分得更开。,由于，光栅的刻痕密度1/d很大(光栅常数d很小)，故光栅的色散本领很大。 若在不大的位置记录光栅光谱，cos几乎不随变化，则色散是均匀的。 对于某一确定的级次m, d/d=m/d=常数，即光栅的角色散与波长无关，衍射角与波长变化成线性关系，这种光谱称为匀排光谱，对于光谱仪的波长标定来说，十分方便。,20,(2)分辨本领,由于衍射，每一条谱线都具有一定宽度。当两谱线靠得较近时，尽管主极大分开了，它们还可能因彼此部分重叠而分辨不出是两条谱线。 分辨本领：是表征光谱仪分辨开两条波长相差很小的谱线能力的参量。 根据瑞利判据，当+的第m级主极大刚好落在的第m级主极大旁的第一极小值处时，这两条谱线恰好可以分辨开。 如果光栅所能分辨的最小波长差为，则分辨本领定义为,返回,21,通常m=1-3,但刻痕数N很大，故A值较大，分辨本领好。,故,22,(3)自由光谱范围,或称色散范围，是指它的光谱不重叠区。 根据光栅方程，光谱不重叠区应满足,返回,其含义是，波长为的入射光的第m级衍射，只要它的谱线宽度小于=/m，就不会发生与的(m-1)或(m+1)级衍射光重叠的现象。,由于光栅都是在低级次下使用，故其自由光谱范围很大。 在可见光范围内为几百nm，所以它可在宽阔的光谱区内使用。 法布里-珀罗标准具在使用时的干涉级次均较高(一般为105量级)，只能在很窄的光谱区内使用。,23,3.4.2 波导光栅,波导光栅是通过波导上的折射率周期分布构成的光栅- -相位光栅。 按其结构的不同，可分为两大类： 1.平面波导光栅 集成光学功能性元件，利用其衍射特性，可以制作多种集成光学器件：光输入、耦合器；滤波器 2.圆形波导(光纤)光栅 1987年制作成功，一种发展迅速的光纤器件，主要有光纤波分复用器、光纤放大器、光纤色散补偿器、光纤传感器,24,3.4.3 全息光栅,全息光栅是依据全息照相原理制作的一种新型光栅。,图3-51是一种分波面法干涉系统。 由该系统产生的两束相干平行光，以2夹角在全息底片H上相交，形成明暗交替的等间距、平行直干涉条纹，条纹间距为,利用这种方法已制成10000条/mm的全息光栅。 全息光栅可制成平面全息光栅，亦可制成凹面全息光栅。 全息光栅可以是振幅光栅，也可制成相位光栅。 全息光栅的透射系数呈正弦变化- -正弦光栅,25,全息光栅的衍射,当平行光正入射时，正弦(振幅)光栅将产生三束衍射光。 由于正弦振幅周期性结构的特点，导致了1 级以上的衍射光消失。,26,3.4.4 波带片,1.菲涅耳波带片 2.波带片对称轴上物点的成像规律 3.波带片的焦距 4.波带片的制作和应用,27,1.菲涅耳波带片,由于相邻波带的相位相反，它们对于观察点的作用是相互抵消。 如：对于一个露出20个波带的衍射孔，其作用是彼此抵消，轴上点P为暗点。现在让其中的1、3、5、19等10个奇数波带通光，而使2、4、等10个偶数波带不通光，则P点的合振幅为 而波前完全不被遮挡时P点的合振幅为 这样，P点光强约为波前完全不遮挡时的400倍,28,奇数波带和偶数波带被挡住(涂黑)的两种菲涅耳波带片。 具有聚光作用，又称菲涅耳透镜。,返回,29,2.波带片对称轴上物点的成像规律,返回,圆孔菲涅耳衍射公式,与透镜的成像公式相似。称为波带片对轴上物点的成像公式,类比，波带片的焦距为,30,3.波带片的焦距,从聚光作用看，波带片与普通透镜相似。但有差别 普通透镜是利用光的折射原理实现聚光的，从物点发出的各光线到像点的光程相等； 波带片则是利用光的衍射原理实现聚光的，从物点发出的光波经波带片的各波带衍射，到达像点的相位差为2的整数倍，产生相干叠加- -干涉相长 。 这种差别的具体表现 普通透镜中只有一个焦距； 波带片中则有多个焦距。即用一束平行光照射这种波带片时，除了上述P0点(主焦点)为亮点外，还有一系列光强较小的(次焦点)亮点。相应各亮点(焦点)的焦距为,m取奇数,31,3.波带片的焦距,菲涅耳波带片与普通透镜相比，还有另外一个差别： 波带片的焦距与波长密切相关，其数值与波长成反比，这就使得波带片的色差比普通透镜大得多，色差较大是波带片的主要缺点。 它的优点是，适应波段范围广。 比如用金属薄片制作的波带片，由于透明环带没有任何材料，可以在从紫外到软X射线的波段内作透镜用; 普通的玻璃透镜只能在可见光区内使用。 此外，还可制作成声波和微波的波带片。,返回,32,4.波带片的制作和应用,波带可以是圆形的，也可以是条形或方形的。,返回,方形波带片的衍射图是十字亮线，很适合于准直应用； 长条形波带片的衍射是在焦点处会聚成一条方向平行于波带片条带的明亮直线。,制作方法和应用：照相微缩法、编程计算法、软件绘图法,注：入射光为平行光,33,3.4.5 微光学透镜,微光学是研究微米量级尺寸光学元器件的微加工技术及光信息在这类元器件间传输、变换、成像的基本理论和应用的学科。 1.衍射光学- -微光学的领域之一 根据光的衍射原理，利用计算机设计出所希望的波面，通过各种微细加工技术制作可大规模复制的高质量、 低价格、具有多功能的微小衍射光学器件。 2.微光学透镜 光学和微电子学相结合的一种浮雕型光栅器件； - -二元光学元件 利用由计算机辅助设计和微电子学工艺技术制造的微型相位光栅，通过光的衍射来控制光的传播方向，达到光束聚焦和分束等目的。,34,