1、第三章 光的衍射(续) 第十八讲,3.1 衍射现象 3.2 惠更斯-菲涅耳原理 3.3 夫琅禾费单缝衍射 3.4 夫琅禾费园孔衍射和光学仪器的分辨本领 3.5 衍射光栅,1914劳厄(法),1895伦琴(德),3.6 X射线衍射 3.7 全息术原理 3.8 相衬显微镜 3.9 纹影法 3.10 傅里叶光学大意,3.6 X射线衍射,十九世纪未阴极射线研究属热门课题,天空打雷闪电地上模拟实验,法拉第辉光放电实验(气压P小),导电机理? 正电荷？负电荷？,1879(英)克鲁克斯小叶片转动实验,1894(德)勒纳德将铝箔置其中仍有电流,说明射线能穿过铝箔.以铝箔作窗口,从阴极发射出一种物质阴极射线,探
2、知:该射线在空气中仅有1cm行程,称此装置为阴极射线管,1895年11月8日伦琴(德)作实验,用黑纸包严阴极射线管以 防杂光对实验数据的影响。,发现:,不可能是阴极射线, 只能新射线,- X射线,特点:穿透力强,能透过人体显示骨骼。,伦琴给他妻子的手照了一张X射线照片,X射线广泛用于医学诊断和确认物质结构等,1米远的荧光屏闪光,X射线本质是什么？,1912年劳厄(德)将X射线入射于晶体，发现了衍射现象。,定性表明：,晶体内粒子排列规则,可视为三维光栅。,(莫寒莱(法)证实X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;,定量分析：,定理：同一晶面上只有满足反射定律的光线1、2才
3、是等光程的。,易证 ABCABD,AD=CB 光线1、2等光程,易证 ABCABE,AE CB 光线1、2非等光程,由定理知沿反射定律的方向 相干加强可视多缝零级衍射,层与层间干涉：,晶体有许多晶面族，对应 有不同的晶面间距d和掠射角,其相邻层间光程差：,=2d sin,方向相干加强,(k =1,2),连续调节波长使,2d sin = k,由斑点位置求d。,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,斑点,德拜法测量多晶,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 间距d1、d2、,相同的斑点构成园环。,由d1、d2、可推知 晶体结构。反之,可测其
4、波长.,由X衍射斑点分布可推知遗传物质脱氧核糖核酸DNA的双螺旋结构,3.7 全息术原理,从普通照相谈起,立体物体透镜成像于底片,卤化银感光记录物上各点光强,显影定影物体平面相片,立体物平面像-无立体感,起因：仅记录了物光波的光强信息,若同时记录物光波的光强信息和相位信息,分析：物光波含有振幅信息和相位信息。,因此,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。,则可实现立体像,物光波的记录,回顾:两相干点光源在空间形成回转双曲面如图,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有关,若物体上各发光源光是相干的,干涉条纹密度与光
5、程差=r2-r1有关,推广:,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,因此：,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信息和相位信息物的形状和位置,什么载体可记录干涉条纹？,什么方法可形成干涉条纹？,载体(记录介质)-全息像片: 感光乳剂，铌酸锂(LiNbO3)等,方法：参考光束与物光束相干叠加如图,全息底片,参 考 光 束,物光束,物体,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,为什么1衍射光含有 原物光波振幅信息和相 位分布信息呢？,而零级衍射却没有 这些信息呢？,以多缝光栅为例大致解释,目的：观察
6、微生物活体的生命过程。,生物样品：薄切片,生物内部各组织结构 n不同不同不同相物体(x,y),通过相物体的光：,E=E0cost- (x,y),E=E0 costcos(x,y)+sintsin(x,y),E0 cost+ E0 (x,y) sint,=E0 cost+ E0 (x,y) cos(t-/2),3.8 相衬显微镜,相衬显微镜如图,1935年泽尼克设计技巧:,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直射光附加+/2相位差,负相板：,怎么再进一步改进？,3.9 纹影法,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,折射率变化,相位分布,刀口缓
7、慢上移挡住直射光和部分衍射光 其余衍射光成像,其像与飞机周围的折射 率分布有关.,从而推知飞机周围的流速场等,3.9 傅里叶光学大意,傅里叶光学内容：成像系统中物和像之间的变换关系傅里叶光谱仪中干涉图和光谱图的变换关系,空间频率概念,空间频率定义：单位长度光振幅变化的次数,时间频率定义：单位时间内完成的振动次数，或单位时间内传输了多少个完整的波,反映光振幅沿空间某方向变化的频繁程度,反映某物理量变化的快慢程度,数学上的傅里叶变换,(傅里叶级数),非周期函数总可以展开成一系列频率连续分布的简谐函数的叠加。,傅里叶定理2：,例如:方波函数g(x),傅里叶变换基本要点：,1. 正变换：从空域内的分布
8、函数获得频谱函数；,逆变换：从频域内的频谱函数获得分布函数。,2. 周期性分布函数的频谱离散谱,非周期性分布函数的频谱连续谱,4. 低频成分决定分布函数中变化缓慢部分和粗轮廓；,高频成分决定分布函数中突变部分和细节。,夫琅禾费衍射装置是傅里叶频谱分析器,例如,透光部分和不透光部分宽度相等的黑白光栅(a=b),主极大缺级：k=(d/b)n=(a+b)/n=2, 4, 6,只有零级, 1, 3, 5, 级光谱,这正好与方波函数的展开式中的离散频谱是一致的。,分布函数-透镜L2前焦平面,频谱函数-透镜L2后焦平面,阿贝成像原理和空间滤波实验,夫琅禾费衍射,物分布函数,频谱分布,傅氏面,像分布函数,高
9、频部分,阿贝成像原理:,低频谱分布像分布函数,低通滤波器,空间滤波实验:,滤掉傅氏面上的某 些频谱，从而改变像 结构。,-光信息处理,马雷夏尔的改善像质工作,基本思想：减弱低频成分，高频成分相对增强。 由此突出照片的细节，改善像质。,具体方法：,将模糊照片制成透明照片,将此透明照片放在4f系统的物平面位置,在傅氏面上放置一园形滤波板，其透过率沿半径方向递增减弱低频，高频相对增强。, 特征识别-指纹识别,将指纹制成透明分布函数,此透明片4f系统的物平面,傅氏面上形成傅里叶频谱t1(fx,fy),在透镜L1的后焦面(傅氏面) 放置傅里叶频谱共轭t*1(fx,fy), t1(fx,fy)* t*1(
10、fx,fy)=A(常数),经过匹配滤波器的平行光透镜L2聚焦一个亮点,众多指纹透明片逐一放入物平面处:,若无亮点，则不是罪犯指纹;,若有亮点，则是罪犯指纹。, 假彩色编码,-将灰度分布图转换为色调分布图,第一步：将具有某种灰度分布的黑白图象制作成相应的明胶厚度分布的透明片；,具体方法：,透光大的地方爆光大 显影定影后银粒析出多漂白处理 银粒溶于漂白液透明底片厚,透光小的地方透明底片薄,信息光栅来的波与此零级波相干叠加,其相位差:,白光入射某波长干涉 相长某灰度级“染色”,-假彩色编码, 傳里叶变换光谱仪,用途：测定光源辐射的光谱,工作原理: 使反射镜M2匀速平动双光束干涉强度i(x)干涉信息傅里叶变换光源光谱,优点：,一次测量中同时完成,信噪比高,分辨本领高,参考书：1.赵凯华，钟锡华.光学上册2.毌国光，战元令.光学,
