34_衍射的应用

1/12/2020第3章光的衍射13.4衍射的应用3.4.1衍射光栅--光谱仪3.4.2波导光栅3.4.3全息光栅3.4.4波带片3.4.5微光学透镜返回第3章1/12/2020第3章光的衍射23.4.1衍射光栅--光谱仪1.衍射光栅1)光栅概述2)光栅方程3)衍射光栅的分光原理2.闪耀光栅1)闪耀光栅的结构2)闪耀光栅的闪耀原理3.光谱仪1)光谱仪概述2)光栅光谱仪的特性1/12/2020第3章光的衍射31、衍射光栅1)光栅概述衍射光栅一种应用非常广泛、非常重要的光学元件，主要用作分光(从远红外到真空紫外)元件，还可用于长度和角度的精密测量、自动化测量及调制元件；工作基础：夫朗和费多缝衍射效应。光栅狭义：由大量等宽、等间隔的狭缝构成的光学元件。世界上最早的光栅是夫朗和费在1819年制成的金属丝栅网，现在的一般光栅是通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等间距的刻痕制成。广义：凡是能使入射光的振幅或相位，或者两者同时产生周期性空间调制的光学元件。基于此，出现了所谓的晶体光栅、超声光栅、晶体折射率光栅等新型光栅。1/12/2020第3章光的衍射4光栅的分类按工作方式分透射光栅反射光栅按对入射光的调制作用分振幅光栅相位光栅光栅常数--d在光学光谱区采用的光栅刻痕密度为0.2～2400条/mm，实验室研究工作中常用的是600条/mm和1200条/mm，总数为5×104条；刻痕的倒数即是光栅常数d;返回1/12/2020第3章光的衍射52)光栅方程在光栅光强分布函数中，光强出现主最大值的条件是....2,1,0,sinmmd--光栅方程使用光栅研究光谱时，若测出衍射角，即可计算出光波的波长。--光栅的应用之一光栅方程的实质相邻两缝产生的沿衍射光束间的光程差为dsin；)dsindsin=m--相邻两缝衍射光干涉相长的条件1/12/2020第3章光的衍射6不同入射情况下的光栅方程(透射)图(a)入射光正射光栅。此时，相邻两缝衍射光束间的光程差为dsin，光栅方程：dsin=m--两束光干涉相长的条件图(b)入射光以0角斜射，衍射光与入射光在法线的同侧时。两相邻缝衍射光束间的光程差为：d(sin+sin0)。故对应的光栅方程为：d(sin+sin0)=m，m=0，±1，±2…图(c)入射光以0角斜射，衍射光与入射光在法线的异侧时。两相邻缝衍射光束间的光程差为：d(sin-sin0)。故对应的光栅方程为：d(sin-sin0)=m，m=0，±1，±2…00法线d(a)(b)(c)返回当入射光与衍射光在光栅法线的同侧(异侧)取“+”(“-”)号。反射光栅亦如此。1/12/2020第3章光的衍射73)衍射光栅的分光原理可见，对于给定光栅常数d的光栅，当用复色光照射时，除零级衍射光外，不同波长的同一级衍射光不重合，即发生“色散”现象，这就是衍射光栅的分光原理。对应于不同波长的各级亮线称为光栅谱线，不同波长光谱线的分开程度随着衍射级次的增大而增大，对于同一衍射级次而言，波长大者，θ大，波长小者，θ小。....2,1,0,)sin(sin0mmd--光栅方程每块光栅在入射角0给定的情况下，最大光谱级为dm)sin1(0max可见，0≠0时，正/负级光谱的级数是不相等的。返回1/12/2020第3章光的衍射8白光光栅光谱由光栅方程可得，sinsin0=m/d.0级(m=0)光谱仍是白色，透射光栅0级在入射光方向上、反射光栅0级在反射光方向上，且无色散；各级光谱m=±1，±2…对称地分列两旁；同一级光谱，按波长由近向远排列(紫-红)；除j=±1级光谱外，其余各级有重叠现象二级光谱的600-760nm与三级光谱的400-506.7nm重叠。j=2j=1j=-1j=3j=01/12/2020第3章光的衍射92、闪耀光栅1)闪耀光栅的结构闪耀光栅又称炫耀光栅、定向光栅，是一种相位型光栅。平面光栅的不足平面光栅(透射、反射)衍射的零级主极大，无色散作用，不能用于分光，光栅分光必须利用高级主极大。由多缝衍射的强度分布已知，多缝衍射的零级主极大占有很大的一部分光能量，可用于分光的高级主极大的光能量较少，大部分能量将被浪费。在实际应用中必须改变通常光栅的衍射光强度分布，使光强度集中到有用的那一光谱级上去。1888年瑞利指出理论上有可能把能量从(对分光)无用的零级主极大转移到高级谱上去，1910年伍德(Wood)成功地刻制出了形状可以控制的沟槽，制成了闪耀光栅。1/12/2020第3章光的衍射10平面光栅不足的原因平面衍射光栅的零级主极大占有很大的一部分光能量，是由干涉零级主极大与单缝衍射主极大重合而造成的；这种重合的起因是干涉和衍射的光程差均由同一衍射角决定。如图3-37(a)所示,光沿任一角度入射时，衍射单缝的缝两边缘点之间的光程差为)sinsin(a衍多缝干涉的相邻缝之间的光程差为)sinsin(d干可见，=时，两个主极大(单缝衍射主极大与干涉零级主极大)的方向一致。如何改变？1/12/2020第3章光的衍射11闪耀光栅的结构图3-39(a)所示的、在平面玻璃上刻出锯齿形细槽构成的透射式闪耀光栅；和图3-39(b)所示的、在金属平板表面刻出锯齿槽构成的反射式闪耀光栅；可以通过折射和反射的方法，将干涉零级与衍射中央主极大位置分开。返回在这种结构中，光栅面和锯齿槽面方向不同；光栅干涉主极大方向是以光栅平面法线方向为其零级方向；衍射的中央主极大方向则是由刻槽面法线方向等1/12/2020第3章光的衍射122)闪耀光栅的闪耀原理图3-40所示，反射式闪耀光栅以其为例，说明如何实现干涉零级和衍射中央主极大方向的分离。假设锯齿形槽面与光栅平面的夹角为θ0(该角称为闪耀角)，锯齿形槽宽度(也即刻槽周期)为d，则对于按角入射的平行光束A来说，其单槽衍射中央主极大方向为其槽面的镜反射方向B。d1/12/2020第3章光的衍射13如何实现干涉零级和衍射中央主极大方向的分离？干涉主极大方向，决定于光栅方程m)sinsin(d若希望B方向是第m级干涉主极大，则md2cos2sin2B方向也是衍射主极大方向，且=。00-mdcossin20--单槽衍射中央主极大方向同时为第m级干涉主极大方向所应满足的关系式。讨论1/12/2020第3章光的衍射14讨论若光沿槽面法线方向入射，则α=β=0，=θ=θ0。上式简化为返回mdcossin20Mmd0sin2--主闪耀条件0称为光栅的闪耀角，波长M称为光栅的闪耀波长，m称为闪耀级次。可见，对一定结构(θ0)的闪耀光栅，其闪耀波长λM，闪耀级次m和闪耀方向均由该方程确定。说明通常所称光栅的闪耀波长，是指光垂直槽面入射时的一级闪耀波长λb，λb/2、λb/3…称为二级、三级闪耀光谱；由于单槽衍射主极大到极小有一定宽度，故闪耀波长附近一定波长范围内的谱线也得到不同程度的闪耀。1/12/2020第3章光的衍射153、光谱仪1)光谱仪概述光谱仪是一种利用光学色散原理设计制作的光学仪器；主要用于研究物质的辐射，光与物质的相互作用，物质结构，物质含量分析，探测星体和太阳的大小、质量、运动速度和方向等。从应用范围分类发射光谱分析用光谱仪：包括看谱仪，摄谱仪和光电直读光谱仪吸收光谱分析用光谱仪：包括各种分光光度计。从光谱仪的出射狭缝分类单色仪：一个出射狭缝；多色仪：两个以上出射狭缝；摄谱仪：没有出射狭缝。按其应用的光谱范围分类真空紫外光谱仪、近紫外光谱仪、可见光谱仪、近红外光谱仪，红外和远红外光谱仪。最近问世的微型光纤光谱仪属于光电直读式光谱仪。1/12/2020第3章光的衍射16光谱仪的组成主要由三部分组成：光源和照明系统、分光系统、接收系统。光源：在发射光谱学中是研究的对象，在吸收光谱学中则是照明工具。分光系统：是光谱仪的核心，由准直光管，分光单元和暗箱组成。如上图，整个分光系统置于暗箱中，以消除杂散光的干扰。分光单元有三类：一类是棱镜分光，--棱镜光谱仪，现已很少使用；另一类用衍射光栅分光，--光栅光谱仪，目前广泛使用；第三类是频率调制的傅里叶变换光谱仪，这是新一代的光谱仪。接收系统：1/12/2020第3章光的衍射17光谱仪的接收系统接收系统：是用于测量光谱成分的波长和强度，从而获得被研究物质的相应参数。有三类接收系统：基于光化学作用的乳胶底片摄像系统；基于光电作用的CCD等光电接收系统；基于人眼的目视系统，它也被称为看谱仪。返回1/12/2020第3章光的衍射182)光栅光谱仪的特性右图所示，里特罗自准直光谱仪，(a)中的透镜L起着准直和会聚双重作用，光栅G的槽面受准直平行光垂直照明；图(b)中采用了凹面反射镜，可用于红外光区和紫外光区。光栅光谱仪的主要性能指标：色散本领、分辨本领和自由光谱范围。返回1/12/2020第3章光的衍射19(1)色散本领是指光谱仪将不同波长的同级主极大光分开的程度，通常用角色散和线色散表示。①角色散dθ/dλ。波长相差1埃(0.1nm)的两条谱线分开的角距离称为角色散。光栅的角色散可由光栅方程对波长取微分求得线色散cosdmdd此值愈大，角色散愈大，表示不同波长的光被分得愈开。可见，光栅的角色散与光谱级次m成正比，级次愈高，角色散就愈大；与光栅刻痕密度1/d成正比，刻痕密度愈大(光栅常数d愈小)，角色散愈大。1/12/2020第3章光的衍射20②线色散dl/dλ指在聚焦物镜的焦平面上，波长相差1埃(0.1nm)的两条谱线分开的距离称为线色散。返回cosdmfddfddl长焦物镜可以使不同波长的光被分得更开。由于，光栅的刻痕密度1/d很大(光栅常数d很小)，故光栅的色散本领很大。若在θ不大的位置记录光栅光谱，cosθ几乎不随θ变化，则色散是均匀的。对于某一确定的级次m,dθ/dλ=m/d=常数，即光栅的角色散与波长无关，衍射角与波长变化成线性关系，这种光谱称为匀排光谱，对于光谱仪的波长标定来说，十分方便。1/12/2020第3章光的衍射21(2)分辨本领由于衍射，每一条谱线都具有一定宽度。当两谱线靠得较近时，尽管主极大分开了，它们还可能因彼此部分重叠而分辨不出是两条谱线。分辨本领：是表征光谱仪分辨开两条波长相差很小的谱根据瑞利判据，当λ+Δλ的第m级主极大刚好落在λ的第m级主极大旁的第一极小值处时，这两条谱线恰好可以分辨开。如果光栅所能分辨的最小波长差为Δλ，则分辨本领定义为返回A1/12/2020第3章光的衍射22AmNNdmdddddcoscosmNA通常m=1-3,但刻痕数N很大，故A值较大，分辨本领好。故1/12/2020第3章光的衍射23(3)自由光谱范围或称色散范围，是指它的光谱不重叠区。根据光栅方程，光谱不重叠区Δλ应满足返回)1()(mmm其含义是，波长为λ的入射光的第m级衍射，只要它的谱线宽度小于Δλ=λ/m，就不会发生与λ的(m-1)或(m+1)级衍射光重叠的现象。•由于光栅都是在低级次下使用，故其自由光谱范围很大。•在可见光范围内为几百nm，所以它可在宽阔的光谱区内使用。•法布里-珀罗标准具在使用时的干涉级次均较高(一般为105量级)，只能在很窄的光谱区内使用。1/12/2020第3章光的衍射243.4.2波导光栅波导光栅是通过波导上的折射率周期分布构成的光栅--相位光栅。按其结构的不同，可分为两大类：1.平面波导光栅集成光学功能性元件，利用其衍射特性，可以制作多种集成光学器件：光输入、耦合器；滤波器2.圆形波导(光纤)光栅1987年制作成功，一种发展迅速的光纤器件，主