《菲涅耳半波带汇总课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《菲涅耳半波带汇总课件.ppt（56页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、1,菲涅耳半波带:菲涅耳圆孔和圆屏衍射（Fresnel Half-wave Zone）,在衍射屏具有对称性的一些简单情况下，用代数加法或矢量加法代替积分运算，可以十分方便地对衍射现象作定性或半定量的解释。,菲涅尔衍射可直接在衍射孔径后方有限距离上进行观察，而无需夫琅禾费那样借助成像透镜。使用菲涅耳基耳霍伏衍射积分公式计算菲涅耳衍射场十分复杂不易严格求解。,2,B0,B1,B3,B2,r1=r0+/2,r2=r1+/2,r3=r2+/2,一、菲涅耳半波带,将波面 S 分成许多以 B0 为圆心的环形波带，并使：,这样分成的环形波带称为菲涅耳半波带，任何相邻两波带以相反的位相同时到达P点(光程差/2
2、）。,3,二、合振幅的计算,用a1、a2、ak分别表示各波带在P点的振幅，则：,比较 a1、a2、ak各振幅的大小：,设S上的振幅均匀分布即A（Q）为常量，任取第K个半波带：,面积 Sk,倾斜因子 K（k）,计算：,由惠菲原理,Bk,R,k,k,rk,h,P,取如图的球冠，其面积,r0,在OPBk中有：,两边微分,代入ds,可将drk视为相邻两波带间r的差值/2，则ds=sk,结论：sk/rk 与 K 无关，对 每个半波带都相同。,5,影响 ak 的只剩下倾斜因子 K（k）：K，ak 缓慢减少。,用如下上下交替的矢量来表示 P 点处振幅的叠加,a1,a2,a3,a4,ak,Ak,a1 a2,a
3、3 a4,a1,a2,a3,a4,ak,Ak,k 为奇数时,k 为偶数时,合成一式,P 点的振幅为第一个波带和最后一个波带所发出次波的振幅相加（减）。,6,当k为奇数时，则,当k为偶数时，则,综合（1）、（2）两式，有：,7,对自由空间传播的球面波，波面为无限大，k，ak 0，则对于给定轴线上的一点P的振幅为：,即球面波自由传播时，每各球面波上各此波波源在P点产生的合振动等于第一个半波带在P点产生的振动振幅得一半，强度为它的4分之1。,计算圆孔对称轴上光振幅的基本思想,把波面微分成若干个环状半波带,环状半波带的数目，便可以判定场点的光强和亮暗,环状半波带的数目为奇数，则场点为亮点；环状半波带的
4、数目为偶数，则为暗点。环状半波带的数目不是整数，则场点的强度介于上述两种情况之间。,如何确定园孔波面上的完整菲涅耳半波带数目上来,？,圆孔衍射,菲涅尔圆孔衍射,菲涅尔圆屏衍射,圆屏衍射,10,菲涅耳圆孔衍射,R,S,O,P,k,B0,r0,rk,B,A,实验装置,计算P点的光强,首先考虑通过圆孔的K个完整菲涅耳半波带数：,K个完整菲涅耳半波带数,忽略,项,在BAP中：,11,在BAO中：,比较两式：,对 P 点的整半波带个数,R（平行光入射）,K 与P在轴上的位置有关。,12,讨论：,对 P 点若 S 恰好分成 K 个半波带时：,K 为偶数,最大,K 为奇数,最小,对 P 点若 S 中还含有不
5、完整的半波带时：,光强介于最大和最小之间,实验证实：,确定观察点P，改变，P点的光强发生变化,确定圆孔半径，P点在对称轴上移动，光强发生变化,13,若 不用光阑（k）：,无遮拦的整个波面对P点的光强等于第一个波带在该点的光强的一半。,例：,计算：,很小,1、对P点而言，无遮拦的整个波面光能传播，几乎可认为沿直线OP进行。,2、沿OP改变P点的位置时，r0，P点的光强越来越小，而不会在1/2（a1+a2）和1/2（a1-a2）之间变化。,14,若 对点，圆孔仅够分成一个半波带,要发生衍射，光源 O 的线度要足够小。,二、圆屏衍射,O,B0,P,P点的振幅：,圆屏遮蔽了个K半波带,从K+1个半波带
6、,从最后的半波带（a0）,在 P 点叠加，合振幅为：,不管圆屏的位置和大小怎样，圆屏几何影子的中心永远有光（泊松点）。,圆屏的面积，ak+1，到达P点的光愈强。,15,菲涅耳衍射（圆孔和圆盘）（Fresnel Diffraction）,一、菲涅耳圆孔衍射,将一束光（例激光）投射在一个圆孔上，并在距孔12m处放置一接收屏，可观察衍射图样。,根据前面的讨论，如果圆孔很小，则从圆孔露出半波带的数量很少，即对圆孔后光强起作用的半波带数量很少，设有k个半波带。,16,则有 ak（）a1，,当k为奇数时，,所以P点为亮点,当k为偶数时，,所以P点为暗点,17,由此可见，想知道圆孔衍射场轴线上某点是亮点还是
7、暗点，必须知道圆孔所包含的半波带数目。,如图，O点为点光源，光通过光阑上的圆孔，圆孔半径为Rh，S为光通过圆孔时的波面。设圆孔包含有k个整数半波带。,由于hr0，则h2可略去,18,又因为,(略去),由（1）、（2）、（3）式可得,19,由上式可见，圆孔包含的半波带的数目和圆孔的半径Rh，圆孔到P点的距离r0，以及入射光波的波长，还有点光源到衍射屏距离R都有关。,当Rh、R、一定时，改变r0，即改变光屏的位置，我们可以看到，光屏的中心点会有时明时暗的变化。,20,二、圆屏衍射,当点光源发出的光通过圆屏（盘）衍射时,由于圆屏不透明，被圆屏挡住部分的波面对轴线上p点的光强将没有贡献。如图,设圆屏遮
8、蔽了开始的k个半波带，从第k+1个半波带开始，其余所有的半波带所发出的次波都能到达P点。,这些半波带的次波在P点叠加后振幅为:,因m，所以 am 0,21,因此,当k不是很大时，有,即P点的光强近似等于光在自由空间传播时的光强。应该是一个亮点。,此亮点称为泊松（Possion 178111840）亮斑。这是几何光学中光的直线传播所不能解释的。,1818年在巴黎科学院大会上，菲涅尔提出了次波相干叠加原理，泊松根据由惠更斯菲涅耳原理导出圆盘轴线上应是亮点。,不管圆屏的大小、位置如何，圆屏几何影子的中心都有光到达，即P是始终是亮点。-泊松(S.D.Poisson)亮斑,22,泊松以此来证明惠更斯菲涅
9、耳原理是错误的。后来由阿拉果在实验中观察到圆屏衍射轴线上的亮点，证明了惠更斯菲涅耳原理的正确性。,泊松（Poisson 17811840）法国数学家。1812年当选为巴黎科学院院士。泊松对积分理论、行星运动理论、热物理、弹性理论、电磁理论、位势理论和概率论都有重要贡献。他一生共发表300多篇论著。,阿拉果（Arago 17861853）法国科学家,23,讨论,圆屏的面积NEN+1EP：P点变亮；圆屏与光源间或圆屏与光屏间距离变化时，N随之改变，P点的光强也将改变；若圆屏足够小，仅遮蔽中心半波带的一部分，则光可完全绕过它，除在圆屏“影子”的中心有亮点外，光屏上没有任何影子；光屏中心亮斑泊松斑圆屏
10、衍射图样：以P为中心，在其周围有一组明暗交替的衍射环。,24,三、波带片,从前面的讨论可知，在相对于P点划分的半波带中，奇数序（1、3、5.）（或偶数序）半波带所发出的次波在P点是同相位的，而奇数序和偶数序半波带所发出的次波在P点是反相的（相差的奇数倍）。,若做一个特殊光阑，使之只允许序数为奇数的半波带或序数为偶数的半波带透光，则P点的振幅为同相位各次波叠加，因此叠加后将会振幅很大。,25,如图，若只允许序数为奇数的半波带透光，则P点的合振幅为,如图，若只允许序数为偶数的半波带透光，则P点的合振幅为,此时P点为光强很强的亮点。把这种特殊光阑称为菲涅耳波带片。,26,由,可得,由上式，可较容易的
11、制作波带片。,半波带的宽度是很小的，随着级别k的增大，尤其如此，要在6.3mm的半径内容纳100个半波带，可以想见最外面的一些半波带是非常细密的所以制作菲涅耳波带片是件根细致的工作，不过在目前的条件下并不困难我们可见先在白纸上精密地绘制，然后用照相机进行两次拍摄和缩小，就可得到一张平面的菲涅耳波带片 波带片与透镜相比，具有大面积、轻便、可折叠等优点。特别适宜用于远程光通讯、光测距和宇航技术中,27,也可以做成方形波带片。,它能成一个明亮的十字线。,除了按上式可做成同心圆环带的波带片外，还可以做成长条形波带片。,这种波带片的特点是能使当在垂直于轴的平面上会聚成一条明亮直线。直线的方向与波带片的直
12、线平行。,自由传播波面不受限，轴上场点的振幅为,则它们的振幅之比为,光强之比为,例题：一块波带片的孔径内有20个半波带，其中第1、3、5、19等10个奇数带露出。第2、4、6、20等10个偶数带遮蔽，试分析轴上场点的光强是自由传播时光强的多少倍？,解：波带片在轴上场点的振幅为,29,计算半波带数目k的公式:,若令,还可以写成：,则有,和一般的会聚透镜成像公式相似。因此，上式称为波带片的焦距公式。,即波带片也有焦距，当R时，有,30,从焦距公式可见，波带片的焦距取决于波带片通光孔的半径Rhk,半波带的数目k，和光波的波长。,由于波带片的焦距和光波的波长有关，因此它的色差比一般透镜大的多。在激光出
13、现以前，没有什么实用意义。由于激光的高度相干性（单色性好），使波带片的应用成为现实。目前主要用在激光准直方面。,31,波带片的亮点相当于点光源成的像。,当使用单色光入射时，在f/3，f/5，f/7等处也有亮点出现。即波带片有多个焦距，因而，与透镜成像的情况不同。对于给定的物点对应于不同的焦距，波带片可以给出多个像点。,波带片与普通透镜相比有自己的优点，例如：长焦距的普通物镜的设计与加工都是相当麻烦的。但不难制作长焦距的波带片，而且采用照相复制方法制造波带片比光学玻璃冷加工省事.,又如普通透镜无法将一个点光源成像为十字亮线。而方形波带片可以实现这一点。,32,起衍射聚焦作用的波带片和普通透镜相比
14、，具有面积大，轻便，可折叠等优点。,特别适用于在远程通讯，测距以及航天技术中。波带片的焦距随波长的增加而缩短，正好和玻璃透镜的焦距色差相反。二者配合使用有利于消除光学系统的色差。,波带片不仅给惠更斯菲涅耳原理提供令人信服的证据，而且在声波、微波、红外和紫外线、X射线的成像技术方面开辟了新的方向。在近代全息照相术等方面也获得了重要应用。,原来的每一个半波带可以分为2个，此次波相互抵消，是暗点,原来的每一个半波带分为3个，其中2个的次波抵消，还剩余1个，为次亮点，即次焦点。,当波带片不变时，r0改变，会引起k的改变，即可划分的半波带数目改变。r0减小，到r0/2时，k=2k，暗点；r0减小，到r0
15、/3时，k=3k，亮点，次焦点；r0减小，到r0/4时，k=4k，暗点,一系列次焦点,例题1：波长为6328的平行光垂直照射直径为2.76mm的园孔，与孔相距1m处放一屏幕。试问：（1）屏上正对园孔中心的p点是亮点还是暗点？（2）要使p点变成与（1）相反的情况，至少要把屏幕分别向前和向后移动多少距离？,解：1）根据菲涅耳圆孔衍射半波带公式求解，即有依题意，即有将题目给定的参数代入上式，得 半波带数为奇数，表明P点是亮点。,2).依题意,对 取微分,即有 即有令,则。即有 0，说明光屏需后移。,令，则。即有 0，说明光屏需前移。,补充：一般情形下的波带,将每一个半波带划分为两个，则相邻波带发出的
16、次波在P点位相差为/2，即第一个半波带中的第一个波带和第二个波带的位相分别为/4和3/4；再将每一个进一步细分，第一个半波带中的四个波带的位相差为/4，位相依此为/16，5/16，9/16，13/16，。,可以将任何一个半波带进一步细分为n个，得到更多的波带，相邻波带间光程差为/2n，位相差为/n。n很大时，位相差很小，用振幅矢量法，原来的每个半波带的波矢变为由n个小波矢组成的半圆。,半波带的进一步划分,不是整数个半波带,如果最后一个不是整数个半波带，也可以得到合振动。,衍射现象：,圆孔衍射：屏上可见同心圆环。孔径改变，圆环中心明暗迅速交替变化；屏沿轴向移动，圆环中心明暗缓慢交替变化。圆屏衍射
17、：屏上可见同心圆环。屏直径改变，或屏沿轴向移动，圆环中心永远是亮点。,48,轴外点的衍射,对于轴外任意点Q的光强度，原则上也可以用同样的方法进行讨论。方法：先设想衍射屏不存在，以M0为中心，对于Q点作半波带；然后再放上圆孔衍射屏，圆孔中心为O。这时由于圆孔和波面对Q点的波带不同心，波带的露出部分如右图所示，图中为了清楚起见，把偶数带画上了斜线。这些波带在Q点引起振动的振幅大小，不仅取决于波带的数目，还取决于每个波带露出部分的大小。精确计算Q点的合成振动振幅是很复杂的，但可以预计，当Q点逐渐偏离P点时，有的地方衍射光会强些，有些地方会弱些。,49,2、菲涅耳积分法,(一)、菲涅耳积分(二)、几种
18、菲涅耳衍射图形 1、直边衍射 2、单缝衍射 3*、矩孔衍射,50,带有矩形开口的光栏透射系数为：,(23),在单位振幅平面波正入射时，有：A(,)=T(,)(24),(一)、菲涅耳积分,(25),右端两个积分的形式相似，都可以归结为菲涅耳积分：,(26),51,(26),将F(a)的实部和虚部分开，有：F(a)=C(a)+jS(a)(27),C(a)和S(a)分别称为菲涅耳余弦积分和菲涅耳正弦积分。F(a)、C(a)和S(a)均不能以解析形式表示成a的初等函数，一般通过列表或图解给出它们的值。,(29),当积分下限不为零时，可以利用下式换算：,52,可以将C(a)和S(a)的数值绘制成图示的曲
19、线，称为考纽蜷线(Cornu spiral)。图中横坐标为C(a)值，纵坐标为S(a)值，变量a用自坐标原点O开始算起的弧长表示，第一象限内a0，第三象限内a0。(更加详细的图形里，某些重要的a值已标明在曲线上相应点的旁侧)。当a时，曲线分别趋于点Z(0.5，0.5)和点Z(-0.5，-0.5)。,53,(二)、几种菲涅耳衍射图形,1、直边衍射,一个平面光波或柱面光波通过与其传播方向垂直的不透明直边(刀片的直边)后，将在观察屏幕上呈现出左图所示的衍射图样；,在几何阴影区的一定范围内，光强度不为零，而在阴影区外的明亮区内,光强度出现有规律的不均匀分布。,54,直边衍射是半无限平面的菲涅耳衍射。,如图所示，设衍射屏为边缘与轴重合，0处透光，0处挡光，观察屏距为d。,这时(25)式变为：,55,(30),因为,(31),所以,(32),其中,2、单缝衍射设衍射屏上的缝平行于轴，沿方向的长度无限，沿方向宽度为a，缝的中心线与轴重合。,56,(33),这时(25)式变为：,图中给出6 组不同宽度 单缝菲涅耳衍射图样及强度分布曲线；每一组三张照片是由不同曝光时间得出的。,
