《衍射光栅衍射》课件

衍射光栅衍射目录光波的本质及特性光的干涉现象单缝衍射光栅衍射光栅的类型光栅的应用课程小结思考题光波的本质及特性电磁波横波光波是一种电磁波，它是由电场光波的电场和磁场方向垂直于光和磁场相互作用而产生的波传播方向，因此光波是一种横波波动性粒子性光波具有波动性，表现为干涉、光波也具有粒子性，表现为光电衍射等现象效应等现象波的干涉现象叠加1两列波相遇时，振动互相叠加加强2振动方向相同，波峰与波峰叠加，振幅增大减弱3振动方向相反，波峰与波谷叠加，振幅减小单缝衍射光通过狭缝当光通过狭缝时，光波会发生衍射，并形成衍射图案衍射现象这是由于光波的波动性导致的，即光波绕过障碍物或孔隙传播的现象明暗条纹单缝衍射图案呈现出中央亮条纹，两侧为一系列明暗相间的条纹，称为衍射条纹单缝衍射图案的性质中央亮条纹明暗相间中央亮条纹最宽，亮度最高，且衍射图案呈现明暗相间的条纹，宽度为其他亮条纹的两倍条纹宽度随衍射角增大而减小条纹间距条纹间距与单缝宽度成反比，即单缝越窄，条纹间距越大双缝衍射光束1当一束光束照射到两个狭缝上时，光波会发生衍射现象干涉2来自两个狭缝的光波相互干涉，形成明暗相间的条纹衍射图案3双缝衍射产生的干涉条纹呈现明暗相间的图案光栅衍射光栅的定义1由大量等宽等间距的平行狭缝构成光栅的作用2产生明暗相间的衍射条纹应用场景3光谱分析、光学测量光栅衍射的几何条件光栅常数入射角衍射角光栅常数表示相邻两条狭缝之间的距入射角表示入射光线与光栅法线的夹衍射角表示衍射光束与光栅法线的dθiθm离值越小，衍射光束之间的间距越大角不同的入射角会影响衍射光束的传播夹角衍射角与光栅常数、入射角和光的d方向波长有关光栅衍射的计算公式光栅方程公式解释光栅常数，相邻两条狭缝之间的距离d sinθ=mλ•d:衍射角，衍射光束与光栅法线的夹角•θ:衍射级数，主极大衍射条纹的序号•m:光波长•λ:光栅衍射图案的性质明条纹等间距分布明条纹比单缝衍射更亮更窄衍射角与光栅常数和波长有关高次衍射图样衍射光栅的衍射图样中，除了主极大以外，还会出现一些次级极大这些次级极大称为高次衍射图样高次衍射图样的强度随着衍射级的增加而减弱高次衍射图样在光栅的应用中起着重要的作用，例如在光谱仪器中，利用高次衍射图样可以分离出不同波长的光线白光入射光栅的衍射白光入射光栅后，由于不同波长的光在光栅上产生的衍射角不同，因此会形成彩色光谱光栅的衍射角与光的波长成正比，所以红光衍射角最大，紫光衍射角最小，形成了我们常见的彩虹色光栅的类型透射光栅反射光栅透射光栅是由一系列等间距的平反射光栅是由一系列等间距的平行狭缝或刻线组成的，光线通过行刻线组成的，光线照射到这些这些狭缝或刻线时会发生衍射，刻线上时会发生反射，形成衍射形成衍射图样图样全息光栅全息光栅是利用激光干涉原理制作的，它具有高分辨率、高效率和良好的光谱特性平面光栅和反射光栅透射光栅反射光栅光线穿过光栅产生衍射现象广泛应用于光谱仪、激光器等光学仪光线照射到光栅表面并反射产生衍射现象主要用于天文望远镜、器激光器等全息光栅干涉原理1通过两束相干光束的干涉，形成周期性的干涉条纹曝光显影2将干涉条纹记录在感光材料上，经过显影和定影处理周期性结构3感光材料上的干涉条纹形成周期性的光栅结构全息光栅的制作干涉1两束相干光束在感光材料上干涉，形成干涉条纹曝光2感光材料被干涉条纹曝光，形成空间周期性变化的折射率显影3显影后，感光材料上形成周期性的结构，即全息光栅全息光栅的特点高分辨率高效率12全息光栅具有非常高的分辨率全息光栅可以将光能高效地集，可以分辨出非常小的波长差中到特定的方向，效率很高多色性3全息光栅可以将不同的颜色分离，这使得它可以用作分光器和彩色滤光片光栅的应用光谱分析激光技术光栅在光谱分析仪器中得到广泛应用光栅可以用来制作各种激光器件，例，例如光谱仪、分光计等如激光衍射光栅、激光光谱仪等显示技术光栅可以用来制作高分辨率显示器，例如液晶显示屏、等离子显示屏等光纤光栅光纤光栅简介光纤光栅的原理光纤光栅是一种特殊的光纤，其折射率沿光纤轴向周期性变化，光纤光栅通过光在光栅结构中的衍射和干涉，实现对特定波长的形成光栅结构光的反射或透射光纤光栅的制作紫外光刻技术1利用紫外光刻技术在光纤芯部制造光栅结构飞秒激光写入技术2使用飞秒激光在光纤芯部写入光栅结构，具有更高的精度和灵活性热拉伸法3通过对光纤进行热拉伸，产生周期性结构，形成光栅结构光纤光栅的制作方法多种多样，根据不同的应用需求，选择不同的方法光纤光栅的特点高灵敏度高精度12光纤光栅传感器对环境变化非光纤光栅传感器具有极高的精常敏感，可检测微小的变化度，可精确测量各种参数抗干扰性强体积小巧34光纤光栅传感器不受电磁干扰光纤光栅传感器体积小巧，便影响，适用于恶劣环境于安装和使用光纤光栅的应用传感通信光学器件光纤光栅可用于构建各种传感器，例如温光纤光栅可以用于构建光纤通信系统，例光纤光栅可用于构建各种光学器件，例如度传感器、应变传感器、压力传感器等如波分复用系统它们可以提高滤波器、偏振器、光开关等它们在光学WDM它们在航空航天、桥梁、管道监测等领域通信系统的带宽和容量通信、光学传感和光学测量等领域具有广具有广泛应用泛应用光纤传感器应用广泛光纤传感器可用于各种领域，例如医疗保健、环境监测和结构监测精确度高光纤传感器可以提供高精度和灵敏度的测量结果可靠性强光纤传感器对电磁干扰和腐蚀具有很强的抵抗力，因此在恶劣环境中也能可靠地工作光纤光栅传感器的原理光纤光栅光纤光栅传感器利用光纤光栅对不同波长的光具有不同的反射特性光纤光栅的反射谱当外部环境发生变化时，光纤光栅的反射谱会发生变化测量反射谱变化通过测量反射谱的变化，可以得到外部环境的变化信息光纤光栅传感器的特点体积小柔性好光纤光栅传感器体积小巧，便于安装光纤光栅传感器可以弯曲、折叠，适和布线应各种复杂环境抗干扰性强光纤光栅传感器对电磁干扰和化学腐蚀具有很强的抵抗力光纤光栅传感器的应用结构健康监测石油天然气勘探桥梁、隧道等基础设施的结构健油气管道泄漏监测，可提高安全康监测，可实现实时监测和预警性和降低环境风险环境监测生物医药领域水质监测、大气污染监测，可实生物传感、药物筛选，可实现对现环境参数的实时监测和数据分生物样本的精确测量和分析析课程小结衍射光栅衍射图案光纤光栅理解光栅衍射的基本原理、几何条件和计算掌握光栅衍射图案的性质，包括主极大和次了解光纤光栅的制作原理、特点和应用领域公式极大思考题光栅衍射实验中，如何判断衍射光谱的级次？光栅衍射实验中，如何测量光栅常数？光栅衍射实验中，如何利用衍射图样确定光的波长？光栅衍射实验中，如何解释衍射图样中的暗纹？参考文献大学物理光学赵凯华，罗蔚茵大学物理第版高等教育出版社陆天虹光学第版高等教育出版社.

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