基础物理课件：光学3-3

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1、第三章第三章 光的衍射光的衍射3.6 3.6 X X射线衍射射线衍射十九世纪未阴极射线研究属热门课题十九世纪未阴极射线研究属热门课题天空打雷闪电天空打雷闪电地上模拟实验地上模拟实验法拉第辉光放电实验法拉第辉光放电实验( (气压气压P P小小) 导电机理导电机理? ? 正电荷？负电荷？正电荷？负电荷？1879(1879(英英) )克鲁克斯小叶片转动实验克鲁克斯小叶片转动实验1894(1894(德德) )勒纳德将铝箔置其中仍有电流勒纳德将铝箔置其中仍有电流, , 说明射线能穿过铝箔说明射线能穿过铝箔. .以铝箔作窗口以铝箔作窗口从阴极发射出一种物质从阴极发射出一种物质阴极射线阴极射线探知探知: :

2、该射线在空气中仅有该射线在空气中仅有1 1cmcm行程行程有绿色荧光有绿色荧光1cm涂有铂氰酸钡的荧光屏涂有铂氰酸钡的荧光屏阴极射线阴极射线称此装置为称此装置为阴极射线管阴极射线管 + + +V+- 阴阳A高压高压铝箔窗口铝箔窗口第三章第三章 光的衍射光的衍射 1895 1895年年1111月月8 8日伦琴日伦琴( (德德) )作实验作实验, ,用黑纸包严阴极射线管以用黑纸包严阴极射线管以防杂光对实验数据的影响。防杂光对实验数据的影响。涂有铂氰酸钡的荧光屏涂有铂氰酸钡的荧光屏 阴极射线阴极射线+ +11m m黑纸黑纸发现发现: :不可能是阴极射线不可能是阴极射线, 只能新射线只能新射线- X射

3、线射线特点特点:穿透力强穿透力强,能透过人体显示骨骼。能透过人体显示骨骼。伦琴给他妻子的手照了一张伦琴给他妻子的手照了一张X X射线照片射线照片X X射线射线广泛用于医学诊断和确认物质结构等广泛用于医学诊断和确认物质结构等1 1米远的荧光屏闪光米远的荧光屏闪光, ,第三章第三章 光的衍射光的衍射M.K.Rntgen伦琴伦琴德国物理学家德国物理学家(1845-1923)第三章第三章 光的衍射光的衍射伦琴夫人的手伦琴夫人的手X照片照片戒指戒指第三章第三章 光的衍射光的衍射X射线本质是什么？射线本质是什么？1912年劳厄年劳厄(德德)将将X射线入射于晶体，发现了衍射现象。射线入射于晶体，发现了衍射现

4、象。定性表明：定性表明：晶体内粒子排列规则晶体内粒子排列规则, ,可视为三维光栅。可视为三维光栅。(莫寒莱莫寒莱(法法)证实证实X射线由原子中内层电子跃迁辐射产生射线由原子中内层电子跃迁辐射产生)X射线属波长极短的电磁波射线属波长极短的电磁波;定量分析：定量分析：定理：定理：同一晶面上只有满足反射定同一晶面上只有满足反射定律的光线律的光线1、2才是等光程的。才是等光程的。 ABCDE12易证易证 ABC ABDAD=CB 光线光线1、2等光程等光程易证易证 ABC ABEAECB 光线光线1、2非等光程非等光程12第三章第三章 光的衍射光的衍射由定理知沿反射定律的方向由定理知沿反射定律的方向相

5、干加强相干加强可视多缝零级衍射可视多缝零级衍射层与层间干涉：层与层间干涉：11sin2 dBCAB 晶面晶面族族 相邻层间光程差相邻层间光程差:晶面晶面族族 相邻层间光程差相邻层间光程差:22sin2 dFGEF 晶体有许多晶面族，对应有不同晶体有许多晶面族，对应有不同的晶面间距的晶面间距d和掠射角和掠射角 , ,其相邻其相邻层间光程差为：层间光程差为： =2d sin 同一层各粒子发次波衍射：同一层各粒子发次波衍射：d1 1 1d2SEFGOABC著名的著名的布拉格公式：布拉格公式：2d sin =k 方向方向相干加强相干加强(k =1,2) 2 2第三章第三章 光的衍射光的衍射连续调节波长

6、使连续调节波长使2d sin = k 由斑点位置求由斑点位置求d。从而可测知：晶体内所有晶面族的面间距从而可测知：晶体内所有晶面族的面间距d1、d2、不同的斑点对应不同的晶面族不同的斑点对应不同的晶面族劳厄法劳厄法测量单晶测量单晶单晶单晶晶面晶面X射线射线波长可调波长可调2 (可测可测)斑点斑点 第三章第三章 光的衍射光的衍射德拜法德拜法测量多晶测量多晶总存在满足：总存在满足：2d sin = k 的衍射角的衍射角 。不同园环斑对应不同的晶面族。不同园环斑对应不同的晶面族。测知晶体内所有晶面族的面间测知晶体内所有晶面族的面间距距d1、d2、相同相同 的斑点构成园环。的斑点构成园环。 2 (可测

7、可测)园环园环单色单色X射线射线多晶多晶许多小单晶构成且取向随机许多小单晶构成且取向随机小单晶小单晶晶面晶面 由由d1、d2、可推知晶体结可推知晶体结构。反之构。反之,可测其波长可测其波长.第三章第三章 光的衍射光的衍射由由X衍射斑点分布可推知衍射斑点分布可推知遗传物质遗传物质 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构第三章第三章 光的衍射光的衍射3.7 3.7 全息术原理全息术原理从普通照相谈起从普通照相谈起立体立体物体物体透镜透镜成像于底片成像于底片卤化银感光卤化银感光记录物上各点光强记录物上各点光强显影显影定影定影物体物体平面平面相片相片立体物立体物平面像平面像-无立

8、体感无立体感起因：仅记录了物光波的光强信息起因：仅记录了物光波的光强信息立体物立体物立体像立体像-有立体感？有立体感？?若同时记录物光波的若同时记录物光波的光强信息光强信息和和相位信息相位信息分析：物光波含有振幅信息和相位信息。分析：物光波含有振幅信息和相位信息。因此因此,相位信息更多地反映了物体上各点相对位置信息。相位信息更多地反映了物体上各点相对位置信息。物体上各点发光波存在光程差，从而存在相位差。物体上各点发光波存在光程差，从而存在相位差。则可则可实现立体像实现立体像第三章第三章 光的衍射光的衍射物光波的记录物光波的记录回顾回顾:两相干点光源在空间形成回转双曲面如图两相干点光源在空间形成

9、回转双曲面如图maxIminImaxIminI干涉回转双曲面密度与两点光源距离有关干涉回转双曲面密度与两点光源距离有关则空间干涉条纹形状和密度等与则空间干涉条纹形状和密度等与 有关有关若物体上各发光源光是相干的若物体上各发光源光是相干的,干涉条纹密度与光程差干涉条纹密度与光程差 =r2-r1有关有关推广推广:干涉条纹形状和密度等与物光波的相位信息有关干涉条纹形状和密度等与物光波的相位信息有关而干涉条纹本身的强度反映了物光波的光强信息而干涉条纹本身的强度反映了物光波的光强信息因此：因此：空间某载体上的干涉条纹强度、形状、密度、走向等空间某载体上的干涉条纹强度、形状、密度、走向等记载了物光波的强度

10、信息和相位信息记载了物光波的强度信息和相位信息物的形状和位置物的形状和位置第三章第三章 光的衍射光的衍射什么载体可记录干涉条纹？什么载体可记录干涉条纹？ 什么方法可形成干涉条纹？什么方法可形成干涉条纹？载体载体(记录介质记录介质)-全息像片全息像片: 感光乳剂，铌酸锂感光乳剂，铌酸锂(LiNbO3)等等方法：参考光束与物光束相干叠加如图方法：参考光束与物光束相干叠加如图半透半反镜半透半反镜全息底片全息底片其上干涉条纹其上干涉条纹细密而复杂。细密而复杂。参参考考光光束束物光束物光束激光激光物体物体第三章第三章 光的衍射光的衍射物光波的重现物光波的重现内部干涉条纹细密而复杂的全息底片如同复杂光栅内

11、部干涉条纹细密而复杂的全息底片如同复杂光栅照明激光照射全息底片照明激光照射全息底片复杂光栅衍射复杂光栅衍射与参考光束相似与参考光束相似复杂光栅复杂光栅物光波的重现物光波的重现1级衍射光级衍射光立体像立体像 为什么为什么1衍射光含有衍射光含有原物光波振幅信息和相原物光波振幅信息和相位分布信息呢？位分布信息呢？ 而零级衍射却没有而零级衍射却没有这些信息呢？这些信息呢？以多缝光栅为例大致解释以多缝光栅为例大致解释照明激光照明激光立体像立体像全息底片全息底片人眼人眼+1级衍射光级衍射光全息照相的特点和应用方面全息照相的特点和应用方面自阅自阅第三章第三章 光的衍射光的衍射第三章第三章 光的衍射光的衍射目

12、的：观察微生物活体的生命过程。目的：观察微生物活体的生命过程。 生物样品：薄切片生物样品：薄切片生物内部各组织结构生物内部各组织结构 n不同不同 不同不同 不同不同相物体相物体 (x,y)通过相物体的光：通过相物体的光：E=E0cos t- (x,y)E=E0 cos tcos (x,y)+sin tsin (x,y)E0 cos t+ E0 (x,y) sin t相物体引起的相位滞后相物体引起的相位滞后,薄切片薄切片 很小很小直射光直射光衍射光衍射光=E0 cos t+ E0 (x,y) cos( t- /2)普通显微镜如图普通显微镜如图聚光镜聚光镜物镜物镜物的像平面物的像平面载物台载物台(

13、样品台样品台)物物像像E E0不能显示物结构不能显示物结构E0EE0 3.8 3.8 相衬显微镜相衬显微镜第三章第三章 光的衍射光的衍射相衬显微镜如图相衬显微镜如图衍射光衍射光直射光直射光19351935年泽尼克设计技巧年泽尼克设计技巧: :在光源的像平面加一个环形相板在光源的像平面加一个环形相板正相板：玻璃板有环形凹槽使正相板：玻璃板有环形凹槽使 直射光附加直射光附加+ /2相位差相位差)2cos()2cos( 00 tEtEE)2cos()1(0 tEEE0 E0E E0能显示物结构能显示物结构负相板：负相板：怎么再进一步改进？怎么再进一步改进？)21 ()1 ( 020 III物镜物镜物

14、的像平面物的像平面像像载物台载物台(样品台样品台)物物聚光镜聚光镜光源像平面光源像平面环形相板环形相板环环光阑环环光阑光源光源第三章第三章 光的衍射光的衍射3.9 3.9 纹影法纹影法目的：测量飞机周围流速场分布，压强分布，温度分布目的：测量飞机周围流速场分布，压强分布，温度分布飞机周围空气密度变化飞机周围空气密度变化 折射率变化折射率变化 相位分布相位分布其工原理与相衬法显微镜相同即：相位分布其工原理与相衬法显微镜相同即：相位分布 光强分布光强分布转换转换不透明的刀口不透明的刀口刀口缓慢上移刀口缓慢上移挡住直射光和部分衍射光挡住直射光和部分衍射光其余衍射光成像其余衍射光成像其像与飞机周围的折射其像与飞机周围的折射率分布有关率分布有关. 从而推知飞机周围的流速场从而推知飞机周围的流速场等等第三章第三章 光的衍射光的衍射3.9 3.9 傅里叶光学大意傅里叶光学大意课外自阅，并希望查阅相关参考书。课外自阅，并希望查阅相关参考书。第三章第三章 光的衍射光的衍射参考书：参考书： 1. 1.赵凯华，钟锡华赵凯华，钟锡华. .光学上册光学上册 2. 2.毌国光，战元令毌国光，战元令. .光学光学