第十二章 光的衍射
1. 波长为的平行光垂直照射在宽度为的单缝上,以焦距为的会聚透镜将衍射光聚焦于焦面上进行观察,求(1)衍射图样中央亮纹的半宽度;(2)第一亮纹和第二亮纹到中央亮纹的距离;(3)第一亮纹和第二亮纹的强度。
解:(1)零强度点有
∴中央亮纹的角半宽度为
∴亮纹半宽度
(2)第一亮纹,有
同理
(3)衍射光强,其中
当时为暗纹,为亮纹
∴对应 级数
0 0 1
1 4.493 0.04718
2 7.725 0.01694
. . .
. . .
. . .
2. 平行光斜入射到单缝上,证明:(1)单缝夫琅和费衍射强度公式为 式中,是中央亮纹中心强度;是缝宽;是衍射角,是入射角(见图12-50) (2)中央亮纹的角半宽度为
证明:(1)与垂直入射相比,只需将方向余弦变为即可
(2)令
∴对于中央亮斑
3. 在不透明细丝的夫琅和费衍射图样中,测得暗条纹的间距为,所用透镜的焦距为,光波波长为。问细丝直径是多少?
解:设直径为,则有
4.利用第三节的结果导出外径和内径分别为和的圆环(见图12-51)的夫琅和费衍射强度公式,并求出当时,(1)圆环衍射与半径为的圆孔衍射图样的中心强度之比;(2)圆环衍射图样第一个暗环的角半径。
解:已知半径为的圆孔的衍射场振幅为
同样,圆屏使P点振幅减小
因此圆环在P点产生的振幅为
∴P点强度为
对于衍射场中心,有
当时,
(1)
∴
(2)第一暗纹有
查表可有
4. (1)一束直径为的氦氖激光()自地面射向月球,已知地面和月球相距,问在月球上得到的光斑有多大?(2)如果用望远镜用作为扩束器将该扩展成直径为的光束,该用多大倍数的望远镜?将扩束后的光束再射向月球,在月球上的光斑为多大?
解:(1)圆孔衍射角半宽度为
∴传到月球上时光斑直径为
(2)若用望远镜扩束,则放大倍数为2000倍。直径
5. 若望远镜能分辨角距离为的两颗星,它的物镜的最小直径是多少?同时为了充分利用望远镜的分辨率,望远镜应有多大的放大率?
解:
人眼分辨率为
∴放大率
6. 若要使照相机感光胶片能分辨的线距,(1)感光胶片的分辨率至少是每毫米当时线;(2)照相机镜头的相对孔径D/f至少有多大?(光波波长为)
解: (1)胶片分辨率为线/毫米
(2)
7. 一台显微镜的数值孔径为,问(1)它用于波长时的最小分辨距离是多少?(2)若利用油浸物镜使数值孔径增大到1.45,分辨率提高了多少倍?(3)显微镜的放大率应设计成多大?(设人眼的最小分辨率为)。
解:(1)
(2)提高
(3)人眼在明视距离处能够分辨的长度为
∴放大率至少为
8. 在双缝夫琅和费衍射实验中,所用光波波长,透镜焦距,观察到两相邻亮条纹之间的距离,并且第四级亮纹缺级。试求(1)双缝的缝距和缝宽;(2)第1,2,3级亮纹的相对强度。
解:(1)双缝衍射亮纹条件为
取微分有
令,且,则
又
(2)衍射极小位置为
取
(3)对于第一级亮纹有
即
又
∴第一级亮纹的相对强度
同理
9. 在双缝的一个缝前贴一块厚,折射率为1.5的玻璃片。设双缝间距为,缝宽为,用波长的平行光垂直入射。试分析该双缝的夫琅和费衍射图样。
解:衍射图样不变,干涉位置变为
10. 一块光栅的宽度为,每毫米内有500条缝,光栅后面放置的透镜焦距为。问(1)它产生的波长的单色光的1级和2级谱线的半宽度是多少?(2)若入射光是波长为和波长之相差的两种单色光,它们的1级和2级谱线之间的距离是多少?
解:(1)
对于一级主极大有
同理
(2)
∴线色散
∴1,2级衍射线色散为
而
∴谱线间距
11. 设计一块光栅,要求(1)使波长的第2级谱线的衍射角,(2)色散尽可能大,(3)第3级谱线缺级,(4)在波长的2级谱线处能分辨的波长差。在选定光栅的参数后,问在透镜的焦面上只可能看到波长的几条谱线?
解:为使的二级谱线的衍射角,则光栅常数应满足
∵色散 ∴越小色散越大
∴
若第三级缺级,应有
由条件(4)
∴光栅总长度
可看到最高级条纹为
∴可看到级,级缺级,共5条条纹。
12. 为在一块每毫米1200条刻线的光栅的1级光谱中分辨波长为的一束氦氖激光的模结构(两个模之间的频率差为),光栅需要有多宽?
解:对应的频率为
∴光栅总条纹数为
∴长度为
13. 证明光束斜入射时,(1)光栅衍射强度分布公式为式中, 为衍射角;为入射角,见图12-53,N为光栅缝数。(2)若光栅常数,光栅形成主级大的条件可以写为
证明:(1)与垂直入射相比,有
同理
(2)光栅形成主极大有
∴有
14. 有一多缝衍射屏如图12-54所示,缝数为,缝宽为,缝间不透明部分的宽度依次为和。试求正入射情况下,这一衍射屏的夫琅和费衍射强度分布公式。
解:相邻两个缝产生的相位差为,隔一缝相位差
或
单缝产生的复振幅为, 其中
∴多光束产生干涉有
设复数
则
∴透射光强
令
15. 一块闪耀光栅宽,每毫米有个刻槽,闪耀角为。(1)求光束垂直于槽面入射时,对于波长的光的分辨本领;(2)光栅的自由光谱范围有多大?(3)试问空气间隔为,精细度为25的法布里-珀罗标准具的分辨本领和自由光谱范围作一比较。
解:(1)光栅刻痕数为
闪耀级数为
∴分辨本领为
(2)自由光谱范围为
(3)F-P标准具的分辨为
自由光谱范围为 比光栅小得多
16. 一透射式阶梯光栅由20块折射率相同、厚度相等的玻璃平板平行呈阶梯状叠成,厚板,玻璃折射率,阶梯高度。以波长的单色光垂直照射,试计算(1)入射光方向上干涉主极大的级次;(2)光栅的角色散和分辨本领(假定玻璃折射率不随波长变化)。
解:(1)由于阶梯高度与相比极大,所以衍射角极小,此时相邻两阶梯的光程差为
对应处,
(2)
设与相比变化很小,即
分辨本领
17. 设光栅的振幅透射系数为,这块光栅的夫琅和费衍射场中将出现几个衍射斑?各斑的中心强度与零级的比值是多少?
18. 在宽度为的狭缝上放一折射率为、折射角为的小光楔,由平面单色波垂直照射(见图12-55),求夫琅和费衍射图样的光强分布以及中央零级极大和极小的方向。
19. 图12-56为一透射型闪耀光栅,周期为,闪耀角为,由平面波垂直入射(1)求夫琅和费衍射图样的光强分布。(2)求光栅对级光谱闪耀时应满足的条件。(3)试分析对级闪耀时,光谱强度分布的特点。
20. 如图12-58所示,单色点光源(波长)安放在离光阑远的地方,光阑上有一个内外半径分别为和的通光圆环。考察点P离光阑(SP连线通过圆环中心并垂直于圆环平面),问在P点的光强和没有光阑时的光强之比是多少?
解:半径为的圆孔包含波带数为
半径为的圆屏挡住的
∴圆环通过波带数为3,由于相邻波带相消,所以只有一个波带的光在P点产生振幅,无光阑时P点振幅为第一波带产生振幅的,所以放置光阑前后光强变化4倍。
21. 波长的平行光正入射直径的圆孔,与孔相距处放一屏幕。问(1)屏幕上正对圆孔中心的P点是亮点还是暗点?(2)要使P点变成与(1)相反的情况,至少要把屏幕向前(同时求出向后)移动多少距离?
解:在P点包含的波带数为
∴中心为亮点
令
22. 试写出图中双狭缝衍射屏的复振幅透射系数的表达式(设缝宽为a,缝距为b,且b=4a)。
(2).用单位振幅单色平面光波正入射照明时,试求在透镜L后焦面内沿x轴的复振幅分布。
(3).求在透镜L后焦面内沿x轴的光强度分布。
(4).指明光强度分布的特征(单缝衍射中央亮区的半角宽度;干涉主亮纹间距)。
[解] (1)双狭缝衍射屏的复振幅透射系数为:
或
(2)复振幅分布为:
(3)光强度分布为:
23.简要分析如图2所示夫琅和费衍射装置如有以下变动时,衍射图样会发生怎样的变化?
1)增大透镜L2的焦距;
2)减小透镜L2的口径;
3)衍射屏作垂直于光轴的移动(不超出入射光束照明范围)。
答:1)增大透镜L2的焦距,将使接收屏上衍射图样的间隔增大。因有公式word/media/image212_1.png,此时衍射角word/media/image213_1.png不变,条纹间隔word/media/image214_1.png增大;
2)增大透镜L2的口径,不会改变衍射图样的分布,但进入系统的光束宽度增加,可使光强增加;
3)衍射屏垂直于系统光轴方向移动时,衍射图样不会改变,因为衍射屏移动前后光的入射角不变,缝宽不变,由衍射公式知其接收屏上的光强分布不变;
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