2.4夫琅禾费圆孔衍射
圆孔的夫朗和费衍射
圆孔的夫朗和费衍射1、圆孔的夫朗和费衍射：根据几何光学，平行光经过球面凸透镜后将会聚于透镜焦平面上一点。
但实际上，由于光的波动性，平行光经过小圆孔后也会产生衍射现象，称为圆孔的夫朗和费衍射。
圆孔的夫朗和费衍射图样为一个圆形的亮斑（称为爱里斑），在爱里斑的周围还有一组明暗相间的同心圆环。
由于光学仪器中所用的孔径光阑、透镜的边框等都相当于一个透光的圆孔，所以圆孔的夫朗和费衍射对光学系统的成像质量有直接影响。
爱里斑光强约占总光强的84% 。
而其1级暗环的角宽度（即爱里斑半角宽度）满足D 22.1R610.0sin 1λλθ==式中R 、D 为小圆孔的半径和直径。
2、光学仪器的分辨本领：由于圆孔衍射现象的限制，光学仪器的分辨能力有一个最高的极限。
下面通过光学仪器分辨本领的讨论，说明为什么有一个分辨极限，并给出分辨极限的大小。
当两个物点S 1、S 2很靠近时（设S 1、S 2光强相等），两个爱里斑将互相重叠而无法分辨。
对一个光学仪器来说，若一个点光源产生的爱里斑的中央刚好与另一个点光源产生的爱里斑瑞的1级暗环相重合，这时两个爱里斑重合部分的光强约为单个爱里斑中央光强的80%左右，一般人眼刚好能分辨出这是两个光点的像。
因此，满足上述条件的两个点光源恰好能被该光学仪器所分辨。
这一条件称为瑞利分辨判据。
（见下图）恰能分辨时两光源发出的光线对透镜光心的夹角Δθ 称为最小分辨角，用δθ表示。
由上讨论可知，最小分辨角δθ等于爱里斑的半角宽度θ1：)D 22.1arcsin(1λθδθ==尤其当θ1 ~ 0D 22.1λδθ≈（或称分辨率），用R 表示：λδθ22.1D 1R ==讨论：⑴ 增大透镜的直径D 可提高镜头的分辨率。
光学天文望远镜的镜头孔径可达数米！ ⑵ 设r 、d 为爱里斑的半径和直径，则：f 2d f r D 22.1===λδθ即：D f44.2d λ=f D称为镜头的相对孔径（越大越好）。
如照相机镜头上所标示的502:1字样，即表示镜头的焦距mm 50f =，而镜头的孔径mm 25D =。
单缝和圆孔夫琅禾费衍射介绍
三、入射光非垂直入射时光程差的计算
DB BC A
b(si n sin ) b
（中央明纹向下移动）
D
B
C
BC DA
b(si n sin )
（中央明纹向上移动）
D A
b
C
B
例1 在单缝衍射中，=600nm, a=0.60mm, f=60cm, 则（1）中央明纹宽度为多少？（2）两 个第三级暗纹之间的距离？
单缝和圆孔的夫琅 禾费衍射介绍
一、单缝夫琅禾费衍射
1.衍射装置及图样
单缝 透镜
衍射角
f
衍射屏
I
衍射图样
（1） 衍射条纹与狭缝平行。 （2）中心条纹很亮，两侧明条纹对称分布， 亮度减弱。 （3）中央亮斑的宽度为其他亮斑的两倍。
由惠更斯——菲涅耳原理：
单缝处波面看作无穷多个相干波源，屏上一点是 (无穷)多光束干涉的结果。
解 ⑴ 中央明纹的宽度
⑵第三级暗纹在屏上的位置
x3ftanf3a3l0
两个第三级暗纹之间的距离
x6l 7.2mm 0
例2 已知：一雷达位于路边d =15m处,射束与公路成 15°角，天线宽度a =0.20m，射束波长=30mm。
求：该雷达监视范围内公路长L =?
L
d
a
θ1
β
150
解：将雷达波束看成是单缝衍射的0级明纹
越大，
越大，衍射效应越明显.
1
二、用振幅矢量推导光强公式
1.振幅矢量法 将缝AB的面积S等分成N(很大)个等宽的窄带,
每个窄带宽度a/N.
每个窄带发的子波在P点振
A
幅近似相等，设为A1，相邻
窄带所发子波在P点引起的振
夫郎禾费圆孔衍射
令b
2 sin
~ AP ce
i
2
r0
(ib)l l! l 0
R
0
d sin l d
l 1 0
2
2– 3 圆孔衍射
第2章 波的衍射
r0
~ AP ce
2
i
2
(ib)l l! l 0
R
0
d sin l d
l 1 0
A
o dφ ρ dρ φ ds x
o
R R
B
C
2 R sin /( / 2)
y
2– 3 圆孔衍射
第2章 波的衍射
在傍轴条件下,用单色平面光波（波长为λ）垂直入 射半径为R的圆孔，孔中心为坐标原点，原点与面元ds上 沿θ方向衍射的光线的光程差为Δ, 发光面元；ds = ρdρ dφ . 在屏幕上的衍射复振幅为：
cos , sin , 0 e0 0, sin , cos e0 sin sin
i
r0
e
i
y
ds
x
ds ρ φ
0
ro+Δ θ ro z
代入上式得：
2– 3 圆孔衍射
第2章 波的衍射
2
~ AP ce
i 2
~ AP ce
ห้องสมุดไป่ตู้r0
(i) 2n R R (2n 1)!! b (2 ) 2(n 1) 2n!! n 0 2n!
2n 2n 2
2 ~ 2 在屏幕上衍射光强分布为 ： I A A
夫琅禾费圆孔衍射教学课件
实验装置示意图
03
实验数据记录表
04
实验结果图像展示
结果分析方法介绍
理论模型与公式介绍 圆孔直径对衍射效果的影响
衍射角与波长关系分析 光源发散角对衍射效果的影响
讨论与结论总结
衍射现象的原理及意义
误差来源分析与减小误差 的方法
实验结果与理论预测的符 合程度
对实际应用中需要注意的 问题的讨论
05
误差来源与减小 误
夫琅禾费圆孔衍射教 学课件
目录
CONTENTS
• 基础知识回顾 • 实验装置与操作流程 • 实验结果分析与讨论 • 误差来源与减小误差方法 • 拓展知识：其他衍射现象介绍
01
引言
衍射现象与夫琅禾费圆孔衍射
衍射现象
指波在传播过程中遇到障碍物时， 会绕过障碍物产生弯曲，形成波 的散射现象。
夫琅禾费圆孔衍射
使用尺子测量光斑间距， 并记录数据。
04
关闭激光器，结束实验。
安全注意事 项
实验过程中需佩戴护 目镜，避免直接观察 激光器发出的光束。
实验结束后，关闭激 光器，并将所有实验 装置归位。
避免将手或其他物体 放在激光器发出的光 束中。
04
实验结果分析与讨 论
实验结果展示
01
02
夫琅禾费圆孔衍射实验原理图
提高实验精度措施
采用高精度的测量仪器和实验 设备，提高实验硬件水平。
建立完善的实验质量控制体系， 对实验过程进行全面监控和管理。
选用经过验证的实验方法和技 术，减少因方法和技术不当带 来的误差。
对实验数据进行严格审核和校 验，确保数据的准确性和可靠性。
06
拓展知识：其他衍
射现象介 绍
单缝和圆孔的夫琅禾费衍射介绍
明纹在屏上的位置
x f sin f (2k 1)
2a
k ax 1 3.5 0.5 3
f 2
第3级明 纹
（2）对应于 p点缝可分成多少个半波带？
asin (2k 1)
2
(23 1) 7
22
7个半波带
（3）将缝宽增加1倍，p 点将变为什么条纹？
y2 = u
-2 - o
··
··
2 u
-2.46π -1.43π
+1.43π +2.46π
u 1.43， 2.46， 3.47，…
相应 asin 1.43, 2.46, 3.47,…
三、入射光非垂直入射时光程差的计算
DB BC
b(sin sin)
“半波带”发的光在 P处干涉相消形成暗纹。
当asin=3/2时，可将缝分为3个半波带.
a
AA
A1
p
B
A2 C
o
B /2
相邻半波带的相对应点光程差均是/2,两个
“半波带”发的光在 P处干涉相消形成暗纹。第 3个“半波带”发的光在 P形成明纹。
一般情况下，可将缝分为k个半波带，当k为偶数 时，p点为暗纹，当k为奇数时，p点为明纹。
例3 在单缝衍射中，若使单缝和透镜分别 稍向上移，则衍射条纹将如何变化？ 解：
o
⑴单缝上移衍射光束向上平移经透镜聚焦后， 位置不变条纹不变 ⑵透镜上移衍射光束经透镜聚焦后，位置随之 上移条纹向上平移
例4 在单缝夫琅和费衍射实验中，缝宽a=10，缝 后透镜焦距 f =40cm , 试求第一级明纹的角宽度，线 宽度以及中央明纹的线宽度。
光学教程(重要)第2章光的衍射2
b A : 反映了障碍物与光波波长之间的辩证关系 : 限制越强, 扩张越显著; 在何方限制, 就在何方扩张.
称为衍射反比定律, 包含如下意义 :
B : b , 是一种光学变换放大, 而非简单几何放大.
9、衍射图样与缝在垂直于透镜L的光轴方向上的位置无关。
L
∵ 衍射角相同的光线，会 聚在接收屏的相同位置上。
(4) 光强分布图： (5) 艾里斑： 第一级暗环所包围的部分为中央亮斑， 称为艾里斑，其上光强占总入射光强的 84%。 其半角宽度为 : 1 sin 1 0.610 R 1.22 ( D为圆孔直径) D 线半径 : l f tan 1 f sin 1 1.22 f D
P0
7、 由 :
1 b b A : b 亮条纹变窄, 条纹间距变小 整个花样压缩;
一定
b 亮条纹变宽, 条纹间距变大 整个花样扩展; B : b 0, 花样压缩为一条直线, 为缝的像 直线传播; (日常生活中的常见情况) b与可比拟时, 0 衍射现象明显.
l
P
由暗条纹公式: sin k k
k
得:
中央亮条纹角宽度: 0 1 1 2
b
f
b
' 2
P0
次最大亮条纹角宽度: k 1 k
相应线宽度 : 中央条纹 : l0 f 2 tan 1 tan 1 f 2 sin 1 sin 1 f 2 0 2 f 2 其它亮条纹 : l f 2
y tan u
-π π 2π 3π
u
夫琅禾费圆孔衍射课件
目录
• 夫琅禾费圆孔衍射概述 • 衍射现象与波动理论 • 实验操作与结果分析 • 误差来源与实验改进 • 结论与展望
01
CATALOGUE
夫琅禾费圆孔衍射概述
定义与特点
定义
夫琅禾费圆孔衍射是指光通过一 个有限大小的圆孔后，在远场产 生的衍射现象。
特点
圆孔衍射的强度分布具有明暗相 间的干涉条纹，且随着孔径的减 小，条纹变得越明显。
THANKS
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衍射现象与衍射系数
衍射现象
当光波遇到障碍物时，会绕过障碍物边缘继续传播的现象。
衍射系数
描述光波在衍射过程中各方向上强度分布的系数，与障碍物的形状、大小和波长 有关。
衍射的数学描述
惠更斯-菲涅尔原理
光波在传播过程中，每一个波前都可 以被视为新的子波源，子波的包络面 形成新的波前。
基尔霍夫衍射公式
描述了衍射光强分布的数学公式，是 求解衍射问题的重要工具。
研究展望与未步深入研究夫琅禾费圆孔衍射的 物理机制和数学模型，探索更精确的 理论预测方法，以提高实验结果的预 测精度。
加强与其他学科的交叉研究，如物理 学、数学、工程学等，以促进多学科 的融合与创新，推动光学技术的进步 与发展。
展望二
拓展夫琅禾费圆孔衍射的应用领域， 如光学成像、光束整形、光学微操纵 等，发掘其在现代光学技术中的潜在 应用价值。
01
02
03
04
使用高精度仪器
采用高精度测量仪器，如高精 度显微镜和测角仪，以提高测
量精度。
控制环境因素
在实验过程中，尽量减小环境 因素的影响，如保持室内恒温
、减少气流扰动等。
优化测量方法
采用更精确的测量方法，如使 用计算机辅助测量技术，以提
夫琅禾费圆孔衍射
光学
§ 2.4 夫琅禾费圆孔衍射
衍射图和强度分布曲线
I/I0
1.0
0.5
0.0175
0.0042
R sin
0
0.610 1.116 1.619
HP
L
艾 里 斑
d
L
D
P
1
d
1
f
d ：艾里斑直径
∆θ1：艾里斑的半角宽度
1 sin1
0.61 1.22
R
D
若透镜L的焦距为 f ,则艾里斑的线半径为:
y
f'
D
由于D>d，因此 y<l ,即艾里斑内至少有一对杨氏干涉暗条纹。
光学
§ 2.4 夫琅禾费圆孔衍射
双圆孔衍射图
另一方面，两个圆孔的光波之间还会产生干涉，因此整个
衍射图样是受单圆孔衍射调制的杨氏干涉条纹。
y
d
x
F'
D
f'
光学
§ 2.4 夫琅禾费圆孔衍射
杨氏双孔干涉条纹
圆孔衍射图样
衍射图样与干涉图样叠加的结果为：
光学
§ 2.4 夫琅禾费圆孔衍射
由夫琅禾费圆孔衍射，艾里斑的线半径为：
1.22 f '
d
由杨氏双孔干涉的条纹间距为：
sin 20
1.333
R
最大与次最大值的相对强度为：
I /I0 1.0
I1 A12 0.0175 I0 I 2 A22 0.0042 I0
s in 30
1.847
R
0.5
I3 A32 0.0016 I0
0.0175
0.0042
0
0.610 1.116 1.619
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
—、衍射装置和衍射条纹
光屏
圆孔衍射屏
夫琅和费圆孔衍射图样中央是一很亮的圆斑,集中了衍射光能量的83.
8%,通常称为艾里斑.它的中心是点光源的几何
光学像。
Gec
孔的夫琅禾费衍射照片»rg«
m 4
7T
2
+A
其中 m =
若用一阶贝塞尔函数符号表示。
则有:
Ip
二、强度分布公式和分布曲线
根据惠更斯一菲涅耳原理，釆用积分法可以推导在平行光垂直 入射时，夫琅禾费圆孔衍射的光强分布公式，由于推导过程较繁琐, 因此在
此只给出结果。
1
2
以RsinM为横坐标,以厶仏为纵坐标，则光强分布用
夫琅和费圆孔衍射光强分布曲线singly
次最大值位置为:
最大与次最大值的相对强度为:
sin。
］。
强度分布图示
sin%。
sin©。
=0.0042厶 =0.0175 I o =0.0016 Z o
Rsind
A
衍射图和强度分布曲线ro
^22
RsinO
4)
/ 1n
d:艾里斑直径
A 〃i：艾里斑的半角宽度△q 怎
sin q
=0.61-= 1.22- R D 透镜L的焦距为/；则艾里斑的线半径为：
£ V如f Sin壮m = 1.22曽广
夫琅和费圆孔衍射艾里斑的半角宽度:
2 2
—1产万
夫琅和费单缝衍射中央明条纹的半角宽度:
1 b
除了一个反映几何形状不同的因数1.22外，二者一致的。
结论：当X/D«l时，衍射现象可以忽略，入愈大或D愈小，衍射现象愈显著。
例题2如图，经准直的光束垂直投射到一光屏上，屏上开有两个直径均为d,中心间距为D的圆孔，且满足D>d,试分析夫琅禾费衍射图样。
11解：圆孔的衍射图样只取决于圆孔的直径，而与圆孔的位置是否偏离透镜主轴无关。
中央最大值的位置是在透镜的主轴上，而和圆孔的位置无关。
直
图样也完全相同，而且完全重合。
圆孔衍射图样如图。
另一方面,两个圆孔的光波之间还会产生干涉，因此整个
杨氏双孔干涉条纹圆孔衍射图样衍射图样与干涉图样叠加的结果为:
AX=1.22-f' 由杨氏双孔干涉的条纹间距为: 由夫琅禾费圆孔衍射，艾里斑的线半径为:
由于D>d.因此Ay<AZ,SP
艾里斑内至少有一对杨氏干涉暗条纹。
双圆孔衍射图 1.5 The two circle aperture's diffracting map,R=0.1 mm.d=0.6mm 5 0 5
a a ■ it s- --1.5 -1 -0.5 0 0.5
Rsin(9yX (unit is 兀 1 1.5。