3.4 衍射的應用

1、6/14/2021第3章光的衍射13.4 3.4 衍射的應用衍射的應用3.4.1 3.4.1 衍射光柵衍射光柵- - -光譜儀光譜儀 3.4.2 3.4.2 波導光柵波導光柵3.4.3 3.4.3 全息光柵全息光柵3.4.43.4.4 波帶片波帶片返回第3章6/14/2021第3章光的衍射23.4.1 3.4.1 衍射光柵衍射光柵- - -光譜儀光譜儀 1.1.衍射光柵衍射光柵1)1)光柵概述光柵概述2)2)光柵方程光柵方程3)3)衍射光柵的分光原理衍射光柵的分光原理 2.2.閃耀光柵閃耀光柵1)1)閃耀光柵的結構閃耀光柵的結構2)2)閃耀光柵的閃耀原理閃耀光柵的閃耀原理3.3.光譜儀光譜儀1

2、)1)光譜儀概述光譜儀概述2)2)光柵光譜儀的特性光柵光譜儀的特性6/14/2021第3章光的衍射31 1、衍射光柵、衍射光柵1) 1)光柵概述光柵概述n衍射光柵衍射光柵n一種應用非常廣泛、非常重要的光學元件，主要用作分光一種應用非常廣泛、非常重要的光學元件，主要用作分光( (從從遠紅外到真空紫外遠紅外到真空紫外) )元件，還可用于長度和角度的精密測量、元件，還可用于長度和角度的精密測量、自動化測量及調(diào)制元件；自動化測量及調(diào)制元件；n工作基礎：夫朗和費多縫衍射效應。工作基礎：夫朗和費多縫衍射效應。n光柵光柵n狹義：由大量等寬、等間隔的狹縫構成的光學元件。狹義：由大量等寬、等間隔的狹縫構成的光學

3、元件。n世界上最早的光柵是夫朗和費在世界上最早的光柵是夫朗和費在18191819年制成的金屬絲柵網(wǎng)，年制成的金屬絲柵網(wǎng)，現(xiàn)在的一般光柵是通過在平板玻璃或金屬板上刻劃出一道道現(xiàn)在的一般光柵是通過在平板玻璃或金屬板上刻劃出一道道等寬、等間距的刻痕制成。等寬、等間距的刻痕制成。n廣義：廣義：凡是能使入射光的振幅或相位，或者兩者同時產(chǎn)生周凡是能使入射光的振幅或相位，或者兩者同時產(chǎn)生周期性空間調(diào)制的光學元件。期性空間調(diào)制的光學元件。n基于此，出現(xiàn)了所謂的晶體光柵、超聲光柵、晶體折射率光基于此，出現(xiàn)了所謂的晶體光柵、超聲光柵、晶體折射率光柵等新型光柵。柵等新型光柵。6/14/2021第3章光的衍射4光柵的

4、分類光柵的分類n按工作方式分按工作方式分n透射光柵透射光柵n反射光柵反射光柵n按對入射光的調(diào)制作用分按對入射光的調(diào)制作用分n振幅光柵振幅光柵n相位光柵相位光柵n光柵常數(shù)光柵常數(shù)- -d- -dn在光學光譜區(qū)采用的光柵刻痕密度為在光學光譜區(qū)采用的光柵刻痕密度為0.20.224002400條條/mm/mm，實驗室研究工作中常用的是，實驗室研究工作中常用的是600600條條/mm/mm和和12001200條條/mm/mm，總數(shù)為，總數(shù)為 5 510104 4條；條；n刻痕的倒數(shù)即是光柵常數(shù)刻痕的倒數(shù)即是光柵常數(shù)d;d;返回6/14/2021第3章光的衍射52)2)光柵方程光柵方程n在光柵光強分布函數(shù)

5、中，光強出現(xiàn)主最大值的條件是在光柵光強分布函數(shù)中，光強出現(xiàn)主最大值的條件是.2, 1, 0,sinmmd- - -光柵方程光柵方程n使用光柵研究光譜時，若測出衍射角使用光柵研究光譜時，若測出衍射角 ，即可計算出光，即可計算出光波的波長。波的波長。- - -光柵的應用之一光柵的應用之一n光柵方程的實質光柵方程的實質n相鄰兩縫產(chǎn)生的沿相鄰兩縫產(chǎn)生的沿 衍射光束間的衍射光束間的光程差為光程差為dsindsin ；) dsin dsin ndsindsin =m =m - - -相鄰兩縫衍射光干涉相長的條件相鄰兩縫衍射光干涉相長的條件6/14/2021第3章光的衍射6不同入射情況下的光柵方程不同入射情

6、況下的光柵方程( (透射透射) )n圖圖(a)(a)入射光正射光柵。此時，相鄰兩縫衍射光束間的光程差為入射光正射光柵。此時，相鄰兩縫衍射光束間的光程差為dsindsin ，光柵方程：，光柵方程： dsindsin =m=m - - -兩束光干涉相長的條件兩束光干涉相長的條件n圖圖(b)(b)入射光以入射光以 0 0角斜射，衍射光與入射光在法線的角斜射，衍射光與入射光在法線的同側同側時。兩相時。兩相鄰縫衍射光束間的光程差為：鄰縫衍射光束間的光程差為： d(sind(sin + +sinsin 0 0) )。故對應的光柵方程。故對應的光柵方程為：為： d(sind(sin + +sinsin 0

7、0)=m)=m ，m=0m=0，1 1，22n圖圖(c)(c)入射光以入射光以 0 0角斜射，衍射光與入射光在法線的角斜射，衍射光與入射光在法線的異側異側時。兩相時。兩相鄰縫衍射光束間的光程差為：鄰縫衍射光束間的光程差為： d(sind(sin - -sinsin 0 0) )。故對應的光柵方程。故對應的光柵方程為：為： d(sind(sin - -sinsin 0 0)=m)=m ，m=0m=0，1 1，22 0 0 法線 d (a) (b) (c) 返回返回n當入射光與衍射當入射光與衍射光在光柵法線的光在光柵法線的同側同側( (異側異側) )取取“+”(“-”)+”(“-”)號。號。n反射

8、光柵亦如此。反射光柵亦如此。6/14/2021第3章光的衍射73)3)衍射光柵的分光原理衍射光柵的分光原理n可見，對于給定光柵常數(shù)可見，對于給定光柵常數(shù)d d的光柵，當用復色光照射時，的光柵，當用復色光照射時，除零級衍射光外，不同波長的同一級衍射光不重合，即除零級衍射光外，不同波長的同一級衍射光不重合，即發(fā)生發(fā)生“色散色散”現(xiàn)象，這就是現(xiàn)象，這就是衍射光柵的分光原理衍射光柵的分光原理。n對應于不同波長的各級亮線稱為對應于不同波長的各級亮線稱為光柵譜線光柵譜線，不同波長光，不同波長光譜線的分開程度隨著衍射級次的增大而增大，對于同一譜線的分開程度隨著衍射級次的增大而增大，對于同一衍射級次而言，波長

9、大者，衍射級次而言，波長大者，大，波長小者，大，波長小者，小。小。.2, 1, 0,)sin(sin0mmd- - -光柵方程光柵方程返回返回6/14/2021第3章光的衍射83)3)衍射光柵的分光原理衍射光柵的分光原理n每塊光柵在入射角每塊光柵在入射角 0給定的情況下，最大給定的情況下，最大光譜級數(shù)為光譜級數(shù)為dm)sin1 (0maxn可見，可見， 0 000時，正時，正/ /負級光譜的級數(shù)是不相等的。負級光譜的級數(shù)是不相等的。對于每個m級衍射光都有一系列按波長排列的光譜，該光譜稱為第m級光譜。零級譜的兩邊均有m0的光譜，的光譜，m大于零的稱大于零的稱為正極光譜，小于零的稱為負極光譜。為正

10、極光譜，小于零的稱為負極光譜。6/14/2021第3章光的衍射9白光光柵光譜白光光柵光譜n由光柵方程可得，由光柵方程可得，sinsinsinsin 0 0=m=m /d./d.n0 0級級(m=0)(m=0)光譜仍是白色，透射光柵光譜仍是白色，透射光柵0 0級在入射光方向級在入射光方向上、反射光柵上、反射光柵0 0級在反射光方向上，且無色散；級在反射光方向上，且無色散；n各級光譜各級光譜m=m=1 1，22對稱地分列兩旁；對稱地分列兩旁；n同一級光譜，按波長由近向遠排列同一級光譜，按波長由近向遠排列( (紫紫- -紅紅) )；n除除j=j=1 1級光譜外，其余各級有重疊現(xiàn)象級光譜外，其余各級有

11、重疊現(xiàn)象n二級光譜的二級光譜的600-760nm600-760nm與三級光譜的與三級光譜的400-506.7nm400-506.7nm重疊。重疊。 j=2 j=1 j=-1 j=3 j=06/14/2021第3章光的衍射102 2、閃耀光柵、閃耀光柵1) 1) 閃耀光柵的結構閃耀光柵的結構n閃耀光柵閃耀光柵又稱炫耀光柵、定向光柵，是一種相位型光柵。又稱炫耀光柵、定向光柵，是一種相位型光柵。n平面光柵的不足平面光柵的不足n平面光柵平面光柵( (透射、反射透射、反射) )衍射的零級主極大，無色散作衍射的零級主極大，無色散作用，不能用于分光，用，不能用于分光，光柵分光必須利用高級主極大光柵分光必須利

12、用高級主極大。n由多縫衍射的強度分布已知，由多縫衍射的強度分布已知，多縫衍射的零級主極大多縫衍射的零級主極大占有很大的一部分光能量，可用于分光的高級主極大占有很大的一部分光能量，可用于分光的高級主極大的光能量較少，大部分能量將被浪費的光能量較少，大部分能量將被浪費。n在實際應用中必須改變通常光柵的衍射光強度分布，使光在實際應用中必須改變通常光柵的衍射光強度分布，使光強度集中到有用的那一光譜級上去。強度集中到有用的那一光譜級上去。n18881888年瑞利指出理論上有可能把能量從年瑞利指出理論上有可能把能量從( (對分光對分光) )無用的零無用的零級主極大轉移到高級譜上去，級主極大轉移到高級譜上去

13、，19101910年伍德年伍德(Wood)(Wood)成功地刻成功地刻制出了形狀可以控制的溝槽，制成了制出了形狀可以控制的溝槽，制成了閃耀光柵閃耀光柵。6/14/2021第3章光的衍射11平面光柵不足的原因平面光柵不足的原因n平面衍射光柵的零級主極大占有很大的一部分光能量，是平面衍射光柵的零級主極大占有很大的一部分光能量，是由干涉零級主極大與單縫衍射主極大重合而造成的；由干涉零級主極大與單縫衍射主極大重合而造成的；n這種重合的起因是干涉和衍射的光程差均由同一衍射角這種重合的起因是干涉和衍射的光程差均由同一衍射角 決定。決定。n如圖如圖3-37(a)3-37(a)所示所示, ,光沿任一角度光沿任

14、一角度 入入射時，衍射單縫的縫兩邊緣點之間射時，衍射單縫的縫兩邊緣點之間的光程差為的光程差為)sinsin(a衍衍n多縫干涉的相鄰縫之間的光程差為多縫干涉的相鄰縫之間的光程差為)sinsin(d干干n可見，可見， = = 時，兩個主極大時，兩個主極大( (單縫衍射主極大與干涉零級單縫衍射主極大與干涉零級主極大主極大) )的方向一致。的方向一致。如何改變？如何改變？ 6/14/2021第3章光的衍射12閃耀光柵的結構閃耀光柵的結構n圖圖3-39(a)3-39(a)所示的、在平面所示的、在平面玻璃上刻出鋸齒形細槽構玻璃上刻出鋸齒形細槽構成的透射式閃耀光柵；成的透射式閃耀光柵；n和圖和圖3- 39(

15、b)3- 39(b)所示的、在所示的、在金屬平板表面刻出鋸齒槽金屬平板表面刻出鋸齒槽構成的反射式閃耀光柵；構成的反射式閃耀光柵；n可以通過折射和反射的方可以通過折射和反射的方法，將干涉零級與衍射中法，將干涉零級與衍射中央主極大位置分開。央主極大位置分開。返回返回n在這種結構中，光柵面和鋸齒槽面方向不同；在這種結構中，光柵面和鋸齒槽面方向不同；n光柵干涉主極大方向是以光柵平面法線方向為其光柵干涉主極大方向是以光柵平面法線方向為其零級方向；零級方向；n衍射的中央主極大方向則是由刻槽面法線方向等衍射的中央主極大方向則是由刻槽面法線方向等其它因素決定。其它因素決定。 6/14/2021第3章光的衍射1

16、32) 2) 閃耀光柵的閃耀原理閃耀光柵的閃耀原理n圖圖3-403-40所示，反射式閃耀所示，反射式閃耀光柵光柵n以其為例，說明如何實現(xiàn)以其為例，說明如何實現(xiàn)干涉零級和衍射中央主極干涉零級和衍射中央主極大方向的分離。大方向的分離。n假設鋸齒形槽面與光柵平假設鋸齒形槽面與光柵平面的夾角為面的夾角為0 0( (該角稱為該角稱為閃耀角閃耀角) )，鋸齒形槽寬度，鋸齒形槽寬度( (也即也即刻槽周期刻槽周期) )為為d d，n則對于按則對于按 角入射的平行角入射的平行光束光束A A來說，其單槽衍射來說，其單槽衍射中央主極大方向為其槽面中央主極大方向為其槽面的鏡反射方向的鏡反射方向B B。 d6/14/2

17、021第3章光的衍射14如何實現(xiàn)干涉零級和衍射中央主極大方向的分離？如何實現(xiàn)干涉零級和衍射中央主極大方向的分離？n干涉主極大方向，決定于光柵方程干涉主極大方向，決定于光柵方程m)sinsin(dn若希望若希望B B方向是第方向是第m m級干涉主極大，則級干涉主極大，則md2cos2sin2nB B方向也是衍射主極大方向，且方向也是衍射主極大方向，且 = = 。00-mdcossin20- - -單槽衍射中央主極大方向同時為第單槽衍射中央主極大方向同時為第m m級干涉主極大方向級干涉主極大方向所應滿足的關系式。所應滿足的關系式。n討論討論6/14/2021第3章光的衍射15討論討論n若光沿槽面法

18、線方向入射，則若光沿槽面法線方向入射，則=0=0， =0 0。上。上式簡化為式簡化為返回返回mdcossin20Mmd0sin2- - -主閃耀條件主閃耀條件n 0 0稱為光柵的稱為光柵的閃耀角閃耀角，波長波長 M M稱為光柵的稱為光柵的閃耀波長閃耀波長， m m稱為稱為閃耀級次閃耀級次。n可見，對可見，對一定結構一定結構(0 0) )的閃耀光柵，其閃耀波長的閃耀光柵，其閃耀波長M M，閃耀級次閃耀級次m m和閃耀方向均由該方程確定和閃耀方向均由該方程確定。 n說明說明n通常所稱光柵的閃耀波長，是指光通常所稱光柵的閃耀波長，是指光垂直槽面垂直槽面入射時的入射時的一級一級閃閃耀波長耀波長b b，

19、b b/2/2、b b/3/3稱為二級、三級閃耀光譜；稱為二級、三級閃耀光譜；n由于單槽衍射主極大到極小有一定寬度，故閃耀波長附近一由于單槽衍射主極大到極小有一定寬度，故閃耀波長附近一定波長范圍內(nèi)的譜線也得到不同程度的閃耀。定波長范圍內(nèi)的譜線也得到不同程度的閃耀。6/14/2021第3章光的衍射163 3、光譜儀、光譜儀1)1)光譜儀概述光譜儀概述n光譜儀是一種利用光學光譜儀是一種利用光學色散原理色散原理設計制作的光學儀器；設計制作的光學儀器；n主要用于研究物質的輻射，光與物質的相互作用，物質主要用于研究物質的輻射，光與物質的相互作用，物質結構，結構， 物質含量分析，探測星體和太陽的大小、質量

20、、物質含量分析，探測星體和太陽的大小、質量、運動速度和方向等。運動速度和方向等。n從應用范圍分類從應用范圍分類n發(fā)射光譜分析用光譜儀：包括看譜儀，攝譜儀和光電直讀光譜發(fā)射光譜分析用光譜儀：包括看譜儀，攝譜儀和光電直讀光譜儀儀n吸收光譜分析用光譜儀：包括各種分光光度計。吸收光譜分析用光譜儀：包括各種分光光度計。n從光譜儀的出射狹縫分類從光譜儀的出射狹縫分類n單色儀：一個出射狹縫；多色儀：兩個以上出射狹縫；攝譜儀：單色儀：一個出射狹縫；多色儀：兩個以上出射狹縫；攝譜儀：沒有出射狹縫。沒有出射狹縫。n按其應用的光譜范圍分類按其應用的光譜范圍分類n真空紫外光譜儀、近紫外光譜儀、可見光譜儀、近紅外光譜儀

21、，真空紫外光譜儀、近紫外光譜儀、可見光譜儀、近紅外光譜儀，紅外和遠紅外光譜儀。紅外和遠紅外光譜儀。n最近問世的微型光纖光譜儀屬于最近問世的微型光纖光譜儀屬于光電直讀式光電直讀式光譜儀。光譜儀。6/14/2021第3章光的衍射17光譜儀的組成光譜儀的組成 n主要由三部分組成：主要由三部分組成：n光源和照明系統(tǒng)、分光源和照明系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、接收系統(tǒng)。光系統(tǒng)、接收系統(tǒng)。n光源光源：在發(fā)射光譜學中是研究的對象，在吸收光譜學中：在發(fā)射光譜學中是研究的對象，在吸收光譜學中則是照明工具。則是照明工具。n分光系統(tǒng)分光系統(tǒng)：是光譜儀的核心，由準直光管，分光單元和：是光譜儀的核心，由準直光管，分光單元和暗箱組成。

22、如上圖，整個分光系統(tǒng)置于暗箱中，以消除暗箱組成。如上圖，整個分光系統(tǒng)置于暗箱中，以消除雜散光的干擾。雜散光的干擾。n分光單元有三類：一類是棱鏡分光，分光單元有三類：一類是棱鏡分光，- - -棱鏡光譜儀棱鏡光譜儀，現(xiàn)已很少使用；另一類用衍射光柵分光，現(xiàn)已很少使用；另一類用衍射光柵分光，- - -光柵光光柵光譜儀譜儀，目前廣泛使用；第三類是頻率調(diào)制的，目前廣泛使用；第三類是頻率調(diào)制的傅里葉變傅里葉變換光譜儀換光譜儀，這是新一代的光譜儀。，這是新一代的光譜儀。n接收系統(tǒng)：接收系統(tǒng)：6/14/2021第3章光的衍射18光譜儀的接收系統(tǒng)光譜儀的接收系統(tǒng)n接收系統(tǒng)：是用于測量光譜成分的接收系統(tǒng)：是用于測量

23、光譜成分的波長和波長和強度強度，從而獲得被研究物質的相應參數(shù)。，從而獲得被研究物質的相應參數(shù)。n有三類接收系統(tǒng)：有三類接收系統(tǒng)：n基于光化學作用的基于光化學作用的乳膠底片乳膠底片攝像系統(tǒng)；攝像系統(tǒng)；n基于光電作用的基于光電作用的CCDCCD等光電接收系統(tǒng)；等光電接收系統(tǒng)；n基于人眼的基于人眼的目視系統(tǒng)目視系統(tǒng)，它也被稱為看譜儀。，它也被稱為看譜儀。返回6/14/2021第3章光的衍射192)2)光柵光譜儀的特性光柵光譜儀的特性n右圖所示，里特羅自準右圖所示，里特羅自準直光譜儀，直光譜儀，n(a)(a)中的透鏡中的透鏡L L起著準直起著準直和會聚雙重作用，光柵和會聚雙重作用，光柵G G的槽面受準

24、直平行光的槽面受準直平行光垂直照明；垂直照明；n圖圖(b)(b)中采用了凹面反中采用了凹面反射鏡，射鏡， 可用于紅外光可用于紅外光區(qū)和紫外光區(qū)。區(qū)和紫外光區(qū)。n光柵光譜儀的主要性能光柵光譜儀的主要性能指標：色散本領、分辨指標：色散本領、分辨本領和自由光譜范圍。本領和自由光譜范圍。返回6/14/2021第3章光的衍射20(1)(1)色散本領色散本領n是指光譜儀將不同波長的同級主極大光分開的是指光譜儀將不同波長的同級主極大光分開的程度，通常用角色散和線色散表示。程度，通常用角色散和線色散表示。角色散角色散d/dd/d。n波長相差波長相差1 1埃埃(0.1nm)(0.1nm)的兩條譜線分開的角距離稱

25、的兩條譜線分開的角距離稱為角色散。為角色散。n光柵的角色散可由光柵方程對波長取微分求得光柵的角色散可由光柵方程對波長取微分求得 線色散cosdmdd 此值愈大，角色散愈大，表示不同此值愈大，角色散愈大，表示不同波長的光被分得愈開。波長的光被分得愈開。 可見，光柵的角色散與光譜級次可見，光柵的角色散與光譜級次m m成正比，級次愈高，角成正比，級次愈高，角色散就愈大；與光柵刻痕密度色散就愈大；與光柵刻痕密度1/1/d d成正比，成正比，刻痕密度愈大刻痕密度愈大( (光光柵常數(shù)柵常數(shù)d d愈小愈小) )，角色散愈大。，角色散愈大。 6/14/2021第3章光的衍射21線色散線色散d dl l/d/d

26、n指在聚焦物鏡的指在聚焦物鏡的焦平面焦平面上，波長相差上，波長相差1 1埃埃(0.1nm)(0.1nm)的兩條譜線分開的距離稱為線色散。的兩條譜線分開的距離稱為線色散。返回cosdmfddfddl 長焦物鏡可以使不同波長的長焦物鏡可以使不同波長的光被分得更開。光被分得更開。 由于，光柵的刻痕密度由于，光柵的刻痕密度1/1/d d很大很大( (光柵常數(shù)光柵常數(shù)d d很很小小) )，故光，故光柵的色散本領很大。柵的色散本領很大。 若在若在不大的位置記錄光柵光譜，不大的位置記錄光柵光譜，coscos幾乎不隨幾乎不隨變化，變化，則色散是均勻的。則色散是均勻的。 對于某一確定的級次對于某一確定的級次m

27、m, d, d/d/d= =m m/ /d d= =常數(shù)，即光柵的角常數(shù)，即光柵的角色散與波長無關，衍射角與波長變化成線性關系，這種光譜色散與波長無關，衍射角與波長變化成線性關系，這種光譜稱為稱為勻排光譜勻排光譜，對于光譜儀的波長標定來說，十分方便。，對于光譜儀的波長標定來說，十分方便。 6/14/2021第3章光的衍射22(2)(2)分辨本領分辨本領n由于衍射，每一條譜線都具有一定寬度。當兩譜線靠得由于衍射，每一條譜線都具有一定寬度。當兩譜線靠得較近時，盡管主極大分開了，它們還可能因彼此部分重較近時，盡管主極大分開了，它們還可能因彼此部分重疊而分辨不出是兩條譜線。疊而分辨不出是兩條譜線。n分

28、辨本領：是表征光譜儀分辨開兩條波長相差很小的譜分辨本領：是表征光譜儀分辨開兩條波長相差很小的譜線能力的參量。線能力的參量。n根據(jù)瑞利判據(jù)，當根據(jù)瑞利判據(jù)，當+的第的第m m級主極大剛好落在級主極大剛好落在的的第第m m級主極大旁的第一極小值處時，這兩條譜線恰好可級主極大旁的第一極小值處時，這兩條譜線恰好可以分辨開。以分辨開。n如果如果光柵所能分辨的最小波長差為光柵所能分辨的最小波長差為，則分辨本領定，則分辨本領定義為義為 返回A6/14/2021第3章光的衍射23AmNNdmdddddcoscosmNA 通常通常m=1-3,m=1-3,但刻痕但刻痕數(shù)數(shù)N N很大，故很大，故A A值較大，值較大

29、，分辨本領好。分辨本領好。故故6/14/2021第3章光的衍射24(3)(3)自由光譜范圍自由光譜范圍n或稱色散范圍，是指或稱色散范圍，是指它的光譜不重疊區(qū)它的光譜不重疊區(qū)。n根據(jù)光柵方程，光譜不重疊區(qū)根據(jù)光柵方程，光譜不重疊區(qū)應滿足應滿足 返回) 1()(mmm 其含義是，波長為其含義是，波長為的入射光的第的入射光的第m m級衍射，只要它的譜級衍射，只要它的譜線寬度小于線寬度小于=/m=/m，就不會發(fā)生與，就不會發(fā)生與的的(m-1)(m-1)或或(m+1)(m+1)級級衍射光重疊的現(xiàn)象。衍射光重疊的現(xiàn)象。 由于光柵都是在低級次下使用，故其自由光譜范圍很大。由于光柵都是在低級次下使用，故其自由

30、光譜范圍很大。 在可見光范圍內(nèi)為幾百在可見光范圍內(nèi)為幾百nmnm，所以它可在寬闊的光譜區(qū)內(nèi)，所以它可在寬闊的光譜區(qū)內(nèi)使用。使用。 法布里法布里- -珀羅標準具在使用時的干涉級次均較高珀羅標準具在使用時的干涉級次均較高( (一般為一般為10105 5量級量級) )，只能在很窄的光譜區(qū)內(nèi)使用。，只能在很窄的光譜區(qū)內(nèi)使用。 6/14/2021第3章光的衍射253.4.2 3.4.2 波導光柵波導光柵n波導光柵是通過波導上的折射率周期分波導光柵是通過波導上的折射率周期分布構成的光柵布構成的光柵- - -相位光柵相位光柵。n按其結構的不同，可分為兩大類：按其結構的不同，可分為兩大類：1.1.平面波導光柵

31、平面波導光柵n集成光學功能性元件，利用其衍射特性，可以集成光學功能性元件，利用其衍射特性，可以制作多種集成光學器件：光輸入、耦合器；濾制作多種集成光學器件：光輸入、耦合器；濾波器波器 2.2.圓形波導圓形波導( (光纖光纖) )光柵光柵n19871987年制作成功，一種發(fā)展迅速的光纖器件，年制作成功，一種發(fā)展迅速的光纖器件，主要有光纖波分復用器、光纖放大器、光纖色主要有光纖波分復用器、光纖放大器、光纖色散補償器、光纖傳感器散補償器、光纖傳感器6/14/2021第3章光的衍射263.4.3 3.4.3 全息光柵全息光柵n全息光柵是依據(jù)全息照相原理制作的一種新型光柵。全息光柵是依據(jù)全息照相原理制作

32、的一種新型光柵。n圖圖3-513-51是一種分波面法干涉是一種分波面法干涉系統(tǒng)。系統(tǒng)。n由該系統(tǒng)產(chǎn)生的兩束相干平由該系統(tǒng)產(chǎn)生的兩束相干平行光，以行光，以22夾角在全息底夾角在全息底片片H H上相交，形成明暗交替上相交，形成明暗交替的等間距、平行直干涉條紋，的等間距、平行直干涉條紋，條紋間距為條紋間距為 sin2nd n利用這種方法已制成利用這種方法已制成1000010000條條/mm/mm的全息光柵。的全息光柵。n全息光柵可制成平面全息光柵，亦可制成凹面全全息光柵可制成平面全息光柵，亦可制成凹面全息光柵。息光柵。n全息光柵可以是振幅光柵，也可制成相位光柵全息光柵可以是振幅光柵，也可制成相位光柵

33、。n 全息光柵的透射系數(shù)呈正弦變化全息光柵的透射系數(shù)呈正弦變化- -正弦光柵正弦光柵6/14/2021第3章光的衍射27全息光柵的衍射全息光柵的衍射n當平行光正入射當平行光正入射時，正弦時，正弦( (振幅振幅) )光柵將產(chǎn)生三束光柵將產(chǎn)生三束衍射光。衍射光。n由于正弦振幅周由于正弦振幅周期性結構的特點，期性結構的特點，導致了導致了1 1 級以級以上的衍射光消失。上的衍射光消失。6/14/2021第3章光的衍射283.4.4 3.4.4 波帶片波帶片1.1.菲涅耳波帶片菲涅耳波帶片2.2.波帶片對稱軸上物點的成像規(guī)律波帶片對稱軸上物點的成像規(guī)律3.3.波帶片的焦距波帶片的焦距4.4.波帶片的制作

34、和應用波帶片的制作和應用6/14/2021第3章光的衍射291.1.菲涅耳波帶片菲涅耳波帶片n由于相鄰波帶的相位相反，它們對于觀察點的由于相鄰波帶的相位相反，它們對于觀察點的作用是相互抵消。作用是相互抵消。n如：對于一個露出如：對于一個露出20個波帶的衍射孔，其作用個波帶的衍射孔，其作用是彼此抵消，軸上點是彼此抵消，軸上點P為暗點。現(xiàn)在讓其中的為暗點。現(xiàn)在讓其中的1、3、5、19等等10個奇數(shù)波帶通光，而使個奇數(shù)波帶通光，而使2、4、等等10個偶數(shù)波帶不通光，則個偶數(shù)波帶不通光，則P點的合振幅點的合振幅為為n而波前完全不被遮擋時而波前完全不被遮擋時P點的合振幅為點的合振幅為n這樣，這樣，P點光

35、強約為波前完全不遮擋時的點光強約為波前完全不遮擋時的400倍倍11953110aaaaaAN21aA 6/14/2021第3章光的衍射30n奇數(shù)波帶和偶數(shù)波帶被擋住奇數(shù)波帶和偶數(shù)波帶被擋住( (涂黑涂黑) )的兩種菲涅耳波的兩種菲涅耳波帶片。帶片。n具有聚光作用，又稱菲涅耳透鏡。具有聚光作用，又稱菲涅耳透鏡。返回6/14/2021第3章光的衍射312.2.波帶片對稱軸上物點的成像規(guī)律波帶片對稱軸上物點的成像規(guī)律返回n 圓孔菲涅耳衍射公式圓孔菲涅耳衍射公式)11(02RrNN 與透鏡的成像公式相似。稱為波帶片對與透鏡的成像公式相似。稱為波帶片對軸上物點的成像公式軸上物點的成像公式2011NNRrNfN2n 類比，波帶片的焦距為類比，波帶片的焦距為6/14