衍射光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

單縫衍射光強(qiáng)分布研究教學(xué)目的 1、觀察單縫衍射現(xiàn)象，加深對(duì)衍射理論的理解；2、學(xué)會(huì)使用衍射光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并能用其測(cè)定單縫衍射的光強(qiáng)分布；3、形成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的工作作風(fēng)。重點(diǎn)：SGS-3型衍射光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)整和使用難點(diǎn)：1）激光光線與光電儀接收管共軸調(diào)節(jié)；2）光傳感器增益度的正確調(diào)整講授、討論、實(shí)驗(yàn)演示相結(jié)合3學(xué)時(shí)一、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介光的衍射現(xiàn)象是光的波動(dòng)性的一種表現(xiàn)。衍射現(xiàn)象的存在，深刻說(shuō)明了光子的運(yùn)動(dòng)是受測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系制約的。因此研究光的衍射，不僅有助于加深對(duì)光的本性的理解，也是近代光學(xué)技術(shù)（如光譜分析，晶體分析，全息分析，光學(xué)信息處理等）的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。衍射導(dǎo)致光強(qiáng)在空間的重新分布，利用光電傳感元件探測(cè)光強(qiáng)的相對(duì)變化，是近代技術(shù)中常用的光強(qiáng)測(cè)量方法之一。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)會(huì)SGS-3型衍射光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)整和使用方法；2、觀察單縫衍射現(xiàn)象，研究其光強(qiáng)分布，加深對(duì)衍射理論的理解；3、學(xué)會(huì)用光電元件測(cè)量單縫衍射的相對(duì)光強(qiáng)分布，掌握其分布規(guī)律； 4、學(xué)會(huì)用衍射法測(cè)量狹縫的寬度。三、實(shí)驗(yàn)原理1、單縫衍射的光強(qiáng)分布當(dāng)光在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)障礙物時(shí)，如不透明物體的邊緣、小孔、細(xì)線、狹縫等，一部分光會(huì)傳播到幾何陰影中去，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。如果障礙物的尺寸與波長(zhǎng)相近，那么這樣的衍射現(xiàn)象就比較容易觀察到。單縫衍射single-slit diffraction有兩種：一種是菲涅耳衍射Fresnel diffraction，單縫距離光源和接收屏receiving screen均為有限遠(yuǎn)near field，或者說(shuō)入射波和衍射波都是球面波；另一種是夫瑯禾費(fèi)衍射Fraunhofer diffraction，單縫距離光源和接收屏均為無(wú)限遠(yuǎn)far field或相當(dāng)于無(wú)限遠(yuǎn)，即入射波和衍射波都可看作是平面波。圖1在用散射角scattering angle極小的激光器(0.002rad)產(chǎn)生激光束laser beam，通過(guò)一條很細(xì)的狹縫（0.10.3mm寬），在狹縫后大于0.5m的地方放上觀察屏，就可以看到衍射條紋，它實(shí)際上就是夫瑯禾費(fèi)衍射條紋，如圖1所示。當(dāng)激光照射在單縫上時(shí)，根據(jù)惠更斯菲涅耳原理Huygens-Fresnel principle，單縫上每一點(diǎn)都可看成是向各個(gè)方向發(fā)射球面子波的新波源。由于子波迭加的結(jié)果，在屏上可以得到一組平行于單縫的明暗相間的條紋。激光的方向性強(qiáng)，可視為平行光束。寬度為的單縫產(chǎn)生的夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣pattern，其衍射光路圖滿足近似條件： 產(chǎn)生暗條紋dark fringes的條件是： （1）暗條紋的中心位置為： （2）兩相鄰暗紋之間的中心是明紋次極大的中心center of bright fringes。由理論計(jì)算可得，垂直入射于單縫平面的平行光經(jīng)單縫衍射后光強(qiáng)分布intensity distribution of light的規(guī)律為：（3） 圖2式中，是狹縫寬width，是波長(zhǎng)wavelength，是單縫位置到光電池photocelll 位置的距離，是從衍射條紋的中心位置到測(cè)量點(diǎn)之間的距離，其光強(qiáng)分布如圖2所示。當(dāng)相同，即相同時(shí)，光強(qiáng)相同，所以在屏上得到的光強(qiáng)相同的圖樣是平行于狹縫的條紋。當(dāng)時(shí)，在整個(gè)衍射圖樣中，此處光強(qiáng)最強(qiáng)，稱為中央主極大central main maximum；中央明紋最亮、最寬，它的寬度為其他各級(jí)明紋寬度的兩倍。當(dāng)，即時(shí)，在這些地方為暗條紋。暗條紋是以光軸為對(duì)稱軸，呈等間隔、左右對(duì)稱的分布。中央亮條紋的寬度可用的兩條暗條紋間的間距確定，；某一級(jí)暗條紋的位置與縫寬成反比，大，小，各級(jí)衍射條紋向中央收縮；當(dāng)寬到一定程度，衍射現(xiàn)象便不再明顯，只能看到中央位置有一條亮線，這時(shí)可以認(rèn)為光線是沿幾何直線傳播的。次極大secondary maximum明紋與中央明紋的相對(duì)光強(qiáng)分別為：（4）2、衍射障礙寬度的測(cè)量由以上分析，如已知光波長(zhǎng)，可得單縫的寬度計(jì)算公式為 （5）因此，如果測(cè)到了第級(jí)暗條紋的位置，用光的衍射可以測(cè)量細(xì)縫的寬度。同理，如已知單縫的寬度，可以測(cè)量未知的光波長(zhǎng)。3、光電檢測(cè)光的衍射現(xiàn)象是光的波動(dòng)性的一種表現(xiàn)。研究光的衍射現(xiàn)象不僅有助于加深對(duì)光本質(zhì)的理解，而且能為進(jìn)一步學(xué)好近代光學(xué)技術(shù)打下基礎(chǔ)。衍射使光強(qiáng)在空間重新分布，利用光電元件測(cè)量光強(qiáng)的相對(duì)變化，是測(cè)量光強(qiáng)的方法之一，也是光學(xué)精密測(cè)量的常用方法。當(dāng)在小孔屏位置處放上硅光電圖3池和一維光強(qiáng)讀數(shù)裝置，與數(shù)字檢流計(jì)（也稱光點(diǎn)檢流計(jì)）相連的硅光電池可沿衍射展開(kāi)方向移動(dòng)，那么數(shù)字檢流計(jì)所顯示出來(lái)的光電流的大小就與落在硅光電池上的光強(qiáng)成正比，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。根據(jù)硅光電池的光電特性可知，光電流和入射光能量成正比，只要工作電壓不太小，光電流和工作電壓無(wú)關(guān)，光電特性是線性關(guān)系。所以當(dāng)光電池與數(shù)字檢流計(jì)構(gòu)成的回路內(nèi)電阻恒定時(shí)，光電流的相對(duì)強(qiáng)度就直接表示了光的相對(duì)強(qiáng)度。由于硅光電池的受光面積較大，而實(shí)際要求測(cè)出各個(gè)點(diǎn)位置處的光強(qiáng)，所以在硅光電池前裝一細(xì)縫光欄(0.5mm)，用以控制受光面積，并把硅光電池裝在帶有螺旋測(cè)微裝置的底座上，可沿橫向方向移動(dòng)，這就相當(dāng)于改變了衍射角。四、實(shí)驗(yàn)儀器SGS-3型衍射光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：?jiǎn)紊庠矗杭す馄?；衍射器件：可調(diào)單縫、多縫板、多孔板、光柵；接收器件：光傳感器、光電流放大器、白屏；光具座：1m硬鋁導(dǎo)軌。附1：二維調(diào)節(jié)滑動(dòng)座這是光具座上使用的一種有特殊裝置的滑動(dòng)座，4個(gè)旋鈕分列兩側(cè)，其中一側(cè)有3個(gè)，上方的用于調(diào)節(jié)光學(xué)器件（如狹縫）在豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角，使器件鉛直，中間的用于橫向調(diào)節(jié)；下面的用于鎖定滑動(dòng)座在導(dǎo)軌上的位置。 附2：移動(dòng)測(cè)量架主要機(jī)構(gòu)是一個(gè)百分鼓輪控制精密絲杠，使一個(gè)可調(diào)狹縫往復(fù)移動(dòng)，并由指針在直尺上指示狹縫的位置，狹縫前后分別有進(jìn)光管和安裝光電探頭的圓套筒。鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，狹縫移動(dòng)1mm，所以鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小格，狹縫（連同光電探頭）只移動(dòng)0.01mm。 附3：光傳感器主要由硅光電探測(cè)器用于相對(duì)光強(qiáng)測(cè)量，波長(zhǎng)范圍：2001050nm。附4：數(shù)顯光電流放大器通過(guò)XS12K3P接插件（航空插頭）與光傳感器連接，可在與測(cè)量相對(duì)光強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中使用。該儀器操作簡(jiǎn)便，前面板上除數(shù)字顯示窗和開(kāi)關(guān)外，只設(shè)一個(gè)增益調(diào)節(jié)旋鈕。如遇較高光強(qiáng)超出增益調(diào)節(jié)范圍而溢出（窗口顯示“1”），可酌情減小增益或減小狹縫寬度，以恢復(fù)正常顯示。 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟按圖4安裝好各實(shí)驗(yàn)裝置。開(kāi)啟光電流放大器，預(yù)熱1020分鐘。圖41激光器，2單縫，3光導(dǎo)軌，4小孔屏，5光電探頭，6一維測(cè)量裝置，7數(shù)字檢流計(jì)（一）準(zhǔn)備工作以一維測(cè)量架上光電探頭的軸線為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)元件同軸等高。1、轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量架上的百分手輪，將光電探頭調(diào)到適當(dāng)位置2、調(diào)節(jié)激光器水平（1）將移動(dòng)光靶裝入一個(gè)有橫向調(diào)節(jié)裝置的普通滑座上。移動(dòng)光靶，使光靶平面和測(cè)量架進(jìn)光口平行。并通過(guò)橫向調(diào)節(jié)裝置，使靶心對(duì)準(zhǔn)光電探頭進(jìn)光口正中心；（2）接通激光器電源，沿導(dǎo)軌來(lái)回移動(dòng)光靶，調(diào)節(jié)激光器架上的六個(gè)方向控制手鈕，使得光點(diǎn)始終打在靶心上；3、取下光靶，裝上白屏將狹縫放進(jìn)有橫向調(diào)節(jié)裝置的滑座上，調(diào)整狹縫同軸等高。同時(shí)將狹縫固定在距離光傳感器850mm左右（注：由于光傳感器接受面距導(dǎo)軌上的刻度尺有一固定距離，所以在讀刻度尺的讀數(shù)時(shí)要加上約60mm）。（二）觀察衍射圖樣白屏放在光傳感器前，觀察衍射圖樣。根據(jù)衍射斑的狀況，適當(dāng)調(diào)節(jié)狹縫寬度。致使衍射圖樣清晰，各級(jí)分開(kāi)的距離適中，便于測(cè)量。（三）測(cè)量1、取下白屏，接通光電流放大器電源轉(zhuǎn)動(dòng)百分鼓輪，橫向微移測(cè)量架，使衍射中央主極大進(jìn)入光傳感器接收口，左右移動(dòng)的同時(shí)，觀察數(shù)顯值。若數(shù)顯值出現(xiàn)1，說(shuō)明光能量太強(qiáng)，應(yīng)（1）逆時(shí)針調(diào)節(jié)光電流放大器的增益，建議示值在1500左右（2）調(diào)節(jié)光傳感器側(cè)面的測(cè)微頭，減小入射面到接收面上的能量注意：如果狹縫的寬度一旦確定，那么在整個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)程中都不得改動(dòng)2、按直尺和鼓輪上的讀數(shù)和光電流放大器數(shù)字顯示，記下光電探頭位置和相對(duì)光強(qiáng)數(shù)值3、在略小于中央主極大處開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)選定任意單方向轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，每轉(zhuǎn)動(dòng)0.1mm（百分鼓輪上的10個(gè)格），記錄1次數(shù)據(jù)，直到測(cè)完0-2級(jí)極大和1-3級(jí)極小為止。注意：在讀數(shù)前，應(yīng)繞選定的單方向旋轉(zhuǎn)幾圈后再開(kāi)始讀數(shù)，避免回程差附：激光器的功率輸出或光傳感器的電流輸出有些起伏，屬于正?，F(xiàn)象。使用前經(jīng)10-20min預(yù)熱，可會(huì)好些。實(shí)際上，接收裝置顯示數(shù)值的起伏變化小于10時(shí)，對(duì)衍射圖樣的繪制并無(wú)明顯影響。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理1、數(shù)據(jù)記錄表格（）坐 標(biāo)相對(duì)強(qiáng)度坐 標(biāo)相對(duì)強(qiáng)度坐 標(biāo)相對(duì)強(qiáng)度坐 標(biāo)相對(duì)強(qiáng)度41.02944.886548.614152.41641.13444.996248.79352.51741.23845.0104648.85952.61941.35245.1114348.93952.72141.46045.2122749.02652.82341.56845.3132449.12052.92641.67445.4141249.21753.02841.77845.5151249.31553.12941.88245.6160449.41753.22941.98545.7167749.52053.33242.08645.8173049.62553.43242.18745.9177749.73253.53342.28446.0182049.83953.63442.37846.1185449.94853.73342.47146.2186350.05553.83242.56346.3186450.16353.93042.65446.4185350.26954.03042.74446.5183250.37354.12942.83546.6179550.47654.22642.92846.7174950.57854.32343.02246.8169750.67754.42243.11846.9162250.77454.52043.21647.0154050.86954.61843.31647.1144050.96454.71743.42047.2134651.05854.81643.52647.3126051.15254.91543.63947.4115751.24655.01443.76447.5104551.34055.11443.88847.692751.43355.21443.913547.782651.52855.31444.018047.872151.62455.41544.122647.963651.72055.51544.229048.054851.81855.61544.337548.146551.91655.71644.444748.239552.01555.81644.554948.331852.11555.91944.666948.425252.21456.01944.777148.519452.31456.1202、數(shù)據(jù)處理1）按測(cè)得的數(shù)據(jù)畫(huà)出相對(duì)光強(qiáng)與被測(cè)點(diǎn)到中央級(jí)的距離的函數(shù)關(guān)系曲線2）從圖中找出極大值和極小值的位置，以及各極大值對(duì)應(yīng)光強(qiáng)值，列出表格項(xiàng)目極大值極小值級(jí)數(shù)012123坐標(biāo)位置46.2550.5553.649.3552.2555.15相對(duì)強(qiáng)度1864783415141413級(jí)暗條紋與中央主極大之間距離狹縫測(cè)量值，根據(jù)公式可得13級(jí)暗條紋與中央主極大之間距離的計(jì)算值： 13級(jí)暗條紋與中央主極大之間距離的測(cè)量值： 13級(jí)暗條紋與中央主極大之間距離的百分誤差比為： 12級(jí)明條紋與中央主極大之間的相對(duì)光強(qiáng)比12級(jí)明條紋與中央主極大之間的相對(duì)光強(qiáng)比的測(cè)量值： 12級(jí)明條紋與中央主極大之間的相對(duì)光強(qiáng)比的理論值： 12級(jí)明條紋與中央主極大之間的相對(duì)光強(qiáng)比的百分誤差比為： 3）計(jì)算狹縫寬度1級(jí)暗條紋與中央主極大之間距離的測(cè)量值，根據(jù)公式可得狹縫寬度的計(jì)算值： 狹縫測(cè)量值，則狹縫寬度的百分誤差比為： 七、注意事項(xiàng)1、單面測(cè)微狹縫不允許超過(guò)零位，以保證刃口不被損壞。2、光傳感器對(duì)光非常敏感，不允許用激光器或其他強(qiáng)光照射。3、激光器電源的正負(fù)極不允許錯(cuò)接。激光管兩端的高壓引線頭千萬(wàn)不要拔出，激光電源空載輸出電壓高達(dá)數(shù)千伏，要警惕誤觸。4、激光束光強(qiáng)極高，切勿用眼睛對(duì)視，防止視網(wǎng)膜遭永久性損傷。5、測(cè)量過(guò)程中要防止回程誤差。即測(cè)量開(kāi)始時(shí)，應(yīng)將百分鼓輪按原方向轉(zhuǎn)幾圈，才開(kāi)始讀數(shù)測(cè)量；測(cè)量過(guò)程中百分鼓輪只能沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，一旦反轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)無(wú)效， 須重新調(diào)整再開(kāi)始讀數(shù)。6、保護(hù)光學(xué)元件的光學(xué)表面，不得觸摸光學(xué)元件的光學(xué)表面。7、實(shí)驗(yàn)完成后，不可調(diào)動(dòng)儀器，要等老師檢查完數(shù)據(jù)并認(rèn)可后才能關(guān)機(jī)。八、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)要點(diǎn)1、簡(jiǎn)要說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)的作用及在近代光學(xué)技術(shù)中的地位。2、簡(jiǎn)要介紹本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、原理，主要包括： 1）衍射產(chǎn)生的條件及衍射條紋的獲得；2）單縫夫朗禾費(fèi)衍射滿足的條件，光強(qiáng)的計(jì)算公式，理論的光強(qiáng)分布曲線。3、儀器結(jié)構(gòu)及使用說(shuō)明1）激光器的結(jié)構(gòu)及使用注意事項(xiàng)；2）一維光強(qiáng)測(cè)量光具座和光電流放大器的結(jié)構(gòu)及使用注意事項(xiàng)。4、單縫衍射的調(diào)節(jié)及光強(qiáng)分布的測(cè)量1）講解和演示操作步驟2）分析說(shuō)明容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤，如：激光器調(diào)平：主要是激光器支架上的控制手鈕因調(diào)節(jié)不當(dāng)，過(guò)度扭轉(zhuǎn)，與激光管接觸不好，導(dǎo)致調(diào)平困難。所以利用白屏調(diào)節(jié)激光束是否進(jìn)入光電探頭的進(jìn)光口，這樣操作簡(jiǎn)便，提高效率，且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。光傳感器增益調(diào)節(jié)：主要是將增益調(diào)節(jié)過(guò)大，會(huì)把外界光、光電探頭本身的暗電流等因素?cái)U(kuò)大，造成測(cè)的數(shù)據(jù)誤差過(guò)大。所以要適當(dāng)調(diào)節(jié)增益，減少?gòu)V電探頭進(jìn)光口狹縫的寬度，來(lái)控制進(jìn)入光電探頭光的能量大小。5、強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差分析以及課后思考題的解答要求九、實(shí)驗(yàn)思考題1、激光器輸出的光強(qiáng)如有變動(dòng)，對(duì)單縫衍射圖樣和光強(qiáng)分布曲線有無(wú)影響？具體說(shuō)明有什么影響？答：（1）對(duì)單縫衍射圖樣無(wú)影響。因?yàn)?，而，則。在、和相同時(shí)，相等，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，各級(jí)條紋位置不變，衍射圖樣不變。（2）對(duì)光強(qiáng)分布曲線有影響。因衍射角并不變動(dòng)，即不變化，光強(qiáng)分布曲線的橫坐標(biāo)不變，而縱坐標(biāo)變化，則光強(qiáng)分布曲線一定變化。但激光器的功率輸出有起伏是不可避免的，屬正?，F(xiàn)象。實(shí)際上只要起伏變化小于10時(shí)，對(duì)光強(qiáng)分布曲線并無(wú)明顯影響。2、如以矩形孔代替單縫，其衍射圖樣在長(zhǎng)邊方