高分辨率平场全息凹面光栅的研制

第55讲：波动光学——光学衍射（2）
内容：§17－8，§17－9，§17－10
1．圆孔衍射与光学仪器的分辨率
2．光栅衍射
3．X光衍射
要求：
1．掌握圆孔衍射艾理斑公式，并能用来分析光学仪器的分辨率；
2．掌握光栅衍射的基本规律；
3．理解X光衍射
重点与难点：
1．圆孔衍射
2．光栅方程
作业：
问题：P172：18，19，20，21
习题：P177：23，24，25，26
预习：§17－12，§17－13
复习：
●光的衍射现象
●惠更斯-菲涅耳原理
●衍射的分类
●单缝夫琅和费衍射实验现象
●单缝夫琅和费衍射的定性解释
一、圆孔夫琅和费衍射：
一个透镜成像的光路可用两个透镜的作用来等效，如图所示：
点物就相当于在透镜L物方焦点处，经通光孔径A，进行夫琅和费衍射，
D
a
λ
λ
22
61
λ
λ
θ22
.1
61
.0
=
=
当两个物点距离足够小时，就存在能否分辨的问题。

．说明：
）分辨本领：与D成正比，与λ成反比
简短小结：
●由一组相互平行，等宽、等间隔的狭缝构成的光学器件称为光栅。

由于各
在相邻的两个极大
个暗
个次级大
以致在缝数很多的
两主极大明纹之
间实际上形成一片暗区。

光栅上的每一狭缝
都要单独产生衍射图样，
减小，单缝衍射中央包线宽度变宽，中央包线内亮纹数目增加;。

一、PCE光色电系统报价模版第一部分小球系统1、PCE-2000B 单颗LED/模组光色电测试系统（以HAAS-2000高精度快速光谱辐射计为核心的实验室级解决方案）2、PCE-1200B单颗LED/模组光色电测试系统（以HAAS-1200精密快速光谱辐射计为核心的高端工业级解决方案）3、PCE-200B 单颗LED/模组光色电测试系统（以CAS-200快速光谱仪为核心的基础工业级解决方案）第二部分大球系统1、PCE-2000A_2.0光色电综合测试系统(配2.0m积分球）（以HAAS-2000高精度快速光谱辐射计为核心的实验室级解决方案）2、PCE-2000A_1.5光色电综合测试系统(配1.5m积分球）（以HAAS-2000高精度快速光谱辐射计为核心的实验室级解决方案）3、PCE-2000A_1.0光色电综合测试系统(配1.0m积分球）（以HAAS-2000高精度快速光谱辐射计为核心的实验室级解决方案）4、PCE-1200A_2.0 光色电测试系统(配2.0m积分球）（以HAAS-1200精密快速光谱辐射计为核心的高端工业级解决方案）5、PCE-1200A_1.5 光色电测试系统(配1.5m积分球）（以HAAS-1200精密快速光谱辐射计为核心的高端工业级解决方案）6、PCE-1200A_1.0 光色电测试系统(配1.0m积分球）（以HAAS-1200精密快速光谱辐射计为核心的高端工业级解决方案）7、PCE-200A_1.5光色电测试系统（配1.5m积分球）（以CAS-200快速光谱仪为核心的基础工业级解决方案）二、技术指标第一部分小球系统1、PCE-2000B 单颗LED/模组光色电测试系统以HAAS-2000高精度快速光谱辐射计为核心的实验室级解决方案系统基本测量功能：1)测试相对光谱功率分布，色品坐标，主波长，峰值波长，光谱纯度，色温，显色指数，半宽度，光通量（配积分球），辐射功率，红色比，色容差等参数，满足国际照明委员会CIE对光和颜色测量要求。

光谱仪简介光谱仪( Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线，。

阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光)，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。

通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。

这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。

将复色光分离成光谱的光学仪器。

光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。

按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。

按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。

单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。

图片图中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构。

狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。

用光源照明狭缝S，S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得入射光的光谱。

棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。

普通光学玻璃只适用于可见光波段，用石英可扩展到紫外区，在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。

目前普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范围取决于光栅条纹的设计，可以具有较宽的光谱范围。

表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。

基于干涉原理设计的光谱仪（如法布里-珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪）具有很高的色散率和分辨本领，常用于光谱精细结构的分析。

单色仪科技名词定义中文名称：单色仪英文名称：monochromator定义：从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。

所属学科：机械工程(一级学科) ；光学仪器(二级学科) ；物理光学仪器(三级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布monochromator光谱仪器中产生单色光的部件。

第1章衍射光栅：刻划型和全息型衍射光栅由下列两种方法制成：一种是用带钻石刀头的刻划机刻出沟槽的经典方法,另一种是用两束激光形成干涉条纹的全息方法。

（更多信息详见Diffraction Gratings Ruled ＆ Holographic Handbook).经典刻划方法制成的光栅可以是平面的或者是凹面的,每道沟槽互相平行.全息光栅的沟槽可以是均匀平行的或者为优化性能而特别设计的不均匀分布.全息光栅可在平面、球面、超环面以及很多其他类型表面生成.本书提到的规律、方法等对各类不同表面形状的经典刻划光栅和全息光栅均适用，如需区分，本书会特别给出解释。

1。

1 基础公式在介绍基础公式前，有必要简要说明单色光和连续谱。

提示:单色光其光谱宽度无限窄.常见良好的单色光源包括单模激光器和超低压低温光谱校正灯。

这些即为大家所熟知的“线光源"或者“离散线光源”。

提示：连续谱光谱宽度有限,如“白光”。

理论上连续谱应包括所有的波长，但是实际中它往往是全光谱的一段。

有时候一段连续谱可能仅仅是几条线宽为1nm的谱线组成的线状谱。

本书中的公式适用于空气中的情况，即m0=1.因此，l=l0=空气中的波长。

定义单位α —（alpha）入射角度β - （beta）衍射角度k - 衍射阶数整数定义单位n - 刻线密度刻线数每毫米DV- 分离角度µ—折射率无单位λ —真空波长纳米λ0—折射率为µ介质中的波长其中λ0= λ/µ1 nm = 10—6 mm； 1 mm = 10—3 mm； 1 A = 10-7 mm最基础的光栅方程如下:(1-1)在大多数单色仪中，入口狭缝和出口狭缝位置固定,光栅绕其中心旋转。

因此,分离角D V成为常数，由下式决定，（1—2）对于一个给定的波长l，如需求得a和b，光栅方程（1—1)可改写为:(1—3）假定D V值已知，则a和b可通过式(1-2)、(1—3）求出,参看图1.1、1。

本科学生实验报告学号********* 姓名邬建飞学院物电学院专业、班级12光电子实验课程名称光谱分析教师及职称罗永道开课学期2014 至2015 学年上学期填报时间2014 年11 月18 日云南师范大学教务处编印一、实验设计方案1．实验现象与结果进行标定时我们使用光谱仪采集汞灯波长校准光源的辐射光谱，获得一幅以像元序数 为横坐标、光强 为纵坐标的一幅光谱图。

对比图 1-1，我们知道图 1-2 中的第一个波峰是253.65nm 波长光波的光强，此时查看横坐标n 的值，现在假设此时n=a ,我们可以知道253.65nm 波长的光波被凹面光栅聚焦在第a 个像元上，此时可以得到波 长序列n λ的一个值235.65a λ=，同理，可以得到313.2b λ=，315.48c λ=，507.3f λ=，546.07θλ=，其中，}{}{,,,,,b c d e f g n ∈，且3648abcdefg。

以n 为横坐标，n λ为纵坐标对上述七个值作图，可得到光源特征波长与像元素序数的映射，如图1-3。

对汞灯波长用软件CAL进行标定，图如下：2．对实验现象、实验结果的分析及其结论如实验结果图像所示，得到了一系列波长标定与像元素之间的特征关系。

我们做波长标定的目的是得到所有像元对应的光波长，使图1-3 上可以形成一条λ和n 进行曲线拟合形成波长定波长定标曲线。

通常采用曲线拟合的方法对nλ。

研究结果表明曲线拟合的结果近似于一条直线，如图1-4 所示。

因标曲线nλ的函数表达式，如下：此在工程应用中我们直接使用这一研究结论，给出n在实际应用计算时将上述公式做如下简化。

先计算获得1b a b a λλ-∆=-，2c b c b λλ-∆=-，3d cd cλλ-∆=-，4e de dλλ-∆=-，5f ef eλλ-∆=-，6g fg fλλ-∆=-，可得：。

高等光学论文光纤光栅的理论基础研究姓名：曹静学号：20114239001院系：现代光学技术研究所专业：光学工程光纤光栅的理论基础研究光纤由于具有损耗低、带宽大、不受电磁干扰和对许多物理量具有敏感性等优点，已成为现代通信网络中的重要传输媒介和传感领域的重要器件。

光纤传感以其灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、体积小、可埋入工程材料及进行分布式测量等优点受到了广泛重视。

光纤光栅是近十多年来得到迅速发展的一种光纤器件，其应用是随着写入技术的不断改进而发展起来的。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

第一部分光纤光栅的简介1 光纤光栅的发展1978年，加拿大通信研究中心的Hill等发现纤芯掺锗的光纤具有光敏性，并利用驻波干涉法制成了世界上第一根光纤光栅[1]。

1989年，美国东哈特福联合技术研究中心的Meltz等利用244nm的紫外光双光束全息曝光法成功地制成了光纤光栅[2]，用两束相干光相遇时所产生的干涉条纹使光敏光纤曝光，形成折射率的周期性永久改变，从而制成光栅。

这种光栅已达到实用阶段。

但这种方法有其缺点：一是对光源的相干性要求较高；二是对系统的稳定性要求高。

1993年，贝尔实验室的Lemaire等用光纤载氢技术增强了光纤的光敏性[3]，这种方法适用于任何掺锗的光纤。

通过光纤的载氢能够将在不增加掺锗浓度的情况下，使光纤的光敏性大大提高。

1993年，又提出了制作光纤Bragg光栅的相位掩模法[4,5]，是到目前为止最为实用化的一种方法，仍被普遍采用，但这种方法的主要缺点是制作掩模版，一种掩模版只对应一种波段的光纤光栅。

1996年，出现了长周期光纤光栅[6～8]，这种光栅的周期较长，可以在数十微米到几百微米之间。

一、光栅尺将光源、圆型的旋转编码盘（编码盘的线数有360线到2400线数不同）和光电检测器件等组合在一起构成的通常称光电旋转编码器，码盘的线数决定了旋转角精度。

同样两块长光栅（动尺和定尺）光栅的单位密度也决定了其单位精度，与光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。

旋转编码器每旋转一格光栅角，每一个光栅电信号对应一个旋转角或光栅尺每输出一个电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。

目前使用的光电旋转编码器与光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90o的2路方波信号，二是相位依次相差90o的4路正弦信号。

这些信号的空间位置周期为W。

针对输出方波信号的光栅进行计数，而对于输出正弦波信号的光栅，经过整形可变为方波信号输出进行计数。

就可以检测。

输出方波的旋转编码器、光栅尺有A相、B相和Z 相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。

Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。

二、光栅光栅是结合数码科技与传统印刷的技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效果。

在平面上展示栩栩如生的立体世界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻变效果。

光栅是一张由条状透镜组成的薄片，当我们从镜头的一边看过去，将看到在薄片另一面上的一条很细的线条上的图像，而这条线的位置则由观察角度来决定。

如果我们将这数幅在不同线条上的图像，对应于每个透镜的宽度，分别按顺序分行排列印刷在光栅薄片的背面上，当我们从不同角度通过透镜观察，将看到不同的图像。

光栅原理光栅也称衍射光栅。

是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。

它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。

光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。

单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。

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