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泰伯效应.doc


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泰伯效应
1836年泰伯发现用一束单色平面波照明周期为d的光栅时,在光栅后面距离为(m为整数)的平面上会出现周期的清晰的光栅的像。这一现象就是光栅的衍射自成像现象,或称为泰伯效应。
泰伯效应的理论解释
泰伯效应可以很容易地由现代光学理论解释,对于光栅的泰伯效应,若光栅的周期为d,当一平面光波垂直入射栅线垂直于X轴的光栅 ,入射光波为单位实振幅,波长为,则透过光栅的复振幅的傅立叶级数展开式为
()
式中为谐频;为基频; 为傅立叶级数。
由光波的传播公式,则沿Z轴方向衍射波的复振幅为

式中 ()
当光栅的空间频率很小时,即,位相为虚数,由二项式定理对根号项展开,并取一级近似得
()

时光场分布为
()
由于在观察时,所观察或测量的物理量是时间平均光强度,故上式中的在观察时无任何意义。所以在离光栅距离偶数倍的平面上即可得到光栅的像;当距离为的奇数倍时,可得到光栅的负像,成为泰伯距离。这种在没有透镜和其它成像器件下光栅出现的像为光栅的自成像,这种现象称为泰伯效应。
当光栅的空间频率很大,即,使得 为虚数,位相项成为实数,衍射光波的复振幅式改为
()
此情况下,只有零级衍射光是传播的,其它各级衍射光波振幅随传播距离Z而减小。越大,振幅衰减越快,因此在利用泰伯效应的光栅偏折仪的最佳距离条件时,光栅的空间频率不能太高。必须保持或的衍射光传播条件。在临界情况,即,即d=λ,说明在垂直平面光波照射条件下,衍射光栅的间距不能小于波长,或者说,d=λ是衍射光的极限条件。例如,(氦氖激光器发出的激光的波长)时,光栅的极限频率为1700线/毫米。所以观察光栅泰伯效应时,所用光栅的空间频率要远低于1700线/毫米才可得到理想的实验结果。我们在本课题中用5线/毫米的光栅观察泰伯效应,得到很好的实验结果。
另外,由于泰伯像只有在泰伯距离上对比度最好,所以精确确定泰伯距离很重要。例如,在泰伯-莫尔偏折系统中,如何确定两片光栅的最佳距离是获得莫尔干涉图的关键简述(详见第四部分)
泰伯效应的特征
Talbot效应是一种特殊的Fresnel衍射现象。最普通的情况是光栅的自成像现象。其主要的特征有:
1)周期性的栅格结构在一定的条件下,即在满足特定的一些平面上,能形成它的清晰的像,而栅格上的瑕疵是不能自成像的。
2)当以单色球面波照射周期性物体时,在满足Talbot距离处的Talbot像相当于物体的几何投影,放大率 M=R/(R+Z)且像与像的间距不等。
3)当以单色平面波照射时,像与物的分布完全一样,放大率M=l,且Talbot像之间的间距相等。
4)由于物体和照明口径有限,Talbot成像区域的大小随Talbot距离增大而减少,在某一位置处,Talbot像消失。
5)相邻的Talbot像为一正一负像,在Talbot像之间亦能观察到周期性分布的像,但周期不同于物的周期且对比度下降。
泰伯效应的应用
在光学技术中

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  • 上传人慢慢老师
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  • 时间2021-04-08