衍射光強試驗書

1、SGS-3/3A4 型衍射光強實驗系統(tǒng)使用說明書（5津）天津市港東科技發(fā)展有限公司SGS3/3A/4型衍射光強實驗系統(tǒng)使用說明書平行光束通過單縫、多縫或圓孔等器件發(fā)生的衍射現(xiàn)象叫做夫朗禾費衍射。利用這套實驗裝置通 過對夫朗禾費單縫禾圓孔等衍射光強進行逐點測量，手繪衍射圖樣的光強分布曲線，不僅有助于 學生對光的波動性的理解，同時對相關實驗技術和分析能力的培養(yǎng)方面也很有幫助。SGS-3A型還可以做光的偏振實驗。1規(guī)格和主要技術指標1.1規(guī)格型號規(guī)格SGS-3SGS-3ASGS-4單色光源He-Ne激光器半導體激光器He-Ne激光器衍射器件可調(diào)單縫、多縫板、多孔板、光柵接收器件光能量指示儀（數(shù)顯）光

2、傳感器和光電流放大器（數(shù)顯）白屏光具座1m硬鋁導軌附加功能可兼做偏振光實驗1.2主要技術指標型號技術指標SGS-3SGS-3ASGS-4光源功率和波長1.5mW,632.8nm-II （18I將此式代入式（2-3）,則& vv 1如果取I = 0.8m, a= 10-4m , X= 6.3 10-7m，貝U a2/8l入 2.5 -31故能滿足上述條件。因此圖 2-1 中的透鏡可以省去。Po圖2-36 / 10He-Ne激光束是高斯光束，但因發(fā)散角很小，常做平面波使用，例如圖2-3的情形，衍射圖樣的暗點和各極強位置能夠相當好地近似于理論分析的結(jié)果，所以可根據(jù), 2xk ak = _2k 1 I

3、在測出I和縫寬a=AB之后計算波長。其中 x是中央極強與各極強的距離，k是各極強的級。有些配上適當透鏡組的半導體激光器發(fā)散角不大，也能適用于本實驗。2.2多縫夫朗禾費衍射設每條縫寬為a,相鄰兩縫中心距為 d,縫的數(shù)目為 N。在波長為 入光強為I0的光正入射多縫 板的條件下，冷“0（沁）2（嘰）2u sin P（2-4）pnd sin 日其中人 ，與式（2-1）相比，除了共有的衍射因子”之外，多出一個 干涉因子”。這是由于各縫衍射光之間發(fā)生的干涉。干涉效應使接收屏上的能量重新分布，形成干涉條紋，但這些條紋又被單縫衍射因子調(diào)制，在強度分布上，要受到單縫衍射圖樣的支配。例如圖2-4,當N=5, d=

4、 3a, 5縫衍射時，干涉因子的表現(xiàn)（b）受單縫衍射因子（a）的調(diào)制，而形成新的綜合 分布（c）。因N = 5,在兩個主極強之間出現(xiàn)3個次極強（相鄰主極強間有N-2個次極強）；由于d= 3a,干涉因子第3級（k =3 ）主極大正好與單縫衍射的第一個暗紋重合，所以不能出現(xiàn)，形成缺級現(xiàn)象，同理，凡是k為3的整倍數(shù)處都缺級。sin9（X/dJ圖2-42.3夫朗禾費圓孔衍射波長人強度10的光正入射一圓孔，接收屏上的光強分布經(jīng)理論計算得1=1。2j（x）/x2, x =（冗D/ ）sin式中D為圓孔直徑，Ji（x）是一階貝塞耳函數(shù)（是一種特殊函數(shù)，詳見數(shù)學手冊）。下表列出的是這種同心圓形衍射圖樣光強分布

5、的極值位置與對應的貝塞耳函數(shù)的數(shù)值。x01.220 n1.635 n2.233 n2.679 n3.238 n2J1(x)/x2100.017500.004202.4偏振光的產(chǎn)生和檢驗光是電磁波，可用兩個相互垂直的振動矢量電矢量E和磁矢量H表征。因物質(zhì)與電矢量的作用大于對磁矢量的作用，習慣上稱E矢量為光矢量，代表光振動。光在傳播過程中遇到介質(zhì)發(fā)生反射、折射、雙折射或通過二向色性物質(zhì)時，本來具有隨機性的光 振動狀態(tài)就會起變化，發(fā)生各種偏振現(xiàn)象。若光振動局限在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，就形成平 面偏振光，因其電矢量末端的軌跡成一直線，通稱線偏振光；若只是有較多的電矢量取向于某固 定方向，稱作部分偏振

6、光。再者，如果一種偏振光的電矢量隨時間作有規(guī)律的變動，它的末端在 垂直于傳播方向的平面上的軌跡呈橢圓或圓形，這種偏振光就是橢圓偏振光或圓偏振光。一般情況下，人的眼睛不能直接檢查偏振光，但可用一個偏振器面對偏振光進行檢視，這個 偏振器就成為檢偏器。2.5馬呂斯定律如果光源中的任一波列（用振動平面E表示）投射在起偏器 P上（圖2-5）,只有相當yx于它的成份之一的 Ey （平行于光軸方向的矢量）能夠通過，另一成份Ex （=E cos 0則被吸收。與此類似，若投射在檢偏器A上的線偏振光的振幅為 E0，則透過A的振幅為E0 cos 0（這里0是P與A偏振化方向之間的夾角）。由于光強與振幅的平方成正比，

7、可知透射光強I隨0而變化的關系為I = I 0 cos2 二這就是馬呂斯定律。2.6布儒斯特角當光從折射率為n1的介質(zhì)（例如空氣）入射到折射率為n2的介質(zhì)（例如玻璃）交界面，而入射角又滿足% 二 tg 匹ni時，反射光即成完全偏振光，其振動面垂直于入射面。iB稱布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。顯然，0B角的大小因相關物質(zhì)折射率大小而異。若ni表示的是空氣折射率，（數(shù)值近似等于1）上式可寫成入射光反射光圖2-62.7波片若使線偏振光垂直入射一透光面平行于光軸，厚度為 d的晶片（圖3-3）,此光因晶片的各向11 / 10異性而分圖2-7裂成遵從折射定律的尋常光（o光）和不遵從折射定律的非常光（ e

8、光）。因o光和e光在晶體中 這兩個相互垂直的振動方向有不同的光速，分別稱做快軸和慢軸。設入射光振幅為A，振動方向與光軸夾角為0,入射晶面后o光和e光振幅分別為Asin 0和Acos B出射后相位差即 （n。 ne）d，o式中入0是光在真空中的波長，no和ne分別是o光和e光的折射率。這種能使相互垂直振動的平 面偏振光產(chǎn)生一定相位差的晶片就叫做波片。2.8橢圓偏振光和圓偏振光如果以平行于波片光軸方向為x坐標，垂直于光軸方向為y坐標，圖3-3出射的o光和e光可用兩個簡諧振動方程式表示：y = A sin（t ；：用）該兩式的合振動方程式可與成2 2Xy _A2eA2o2xy cos = sin2A

9、eA一般說來，這是一個橢圓方程，代表橢圓偏振光。但是當即=2k二（k = 1、2、3 ）或= （2k - 1）-：（k= 0、1、2 ）時，合振動變成振動方向不同的線偏振光。后一種情況，晶片厚度dn譏2可使o光和e光產(chǎn)生（2k+1）入/2的光程差，這樣的晶片稱做半波片，而當= （2k1）2（ k= 1、2、3）時，合振動方程化為正橢圓方程=12 2Ae A;（2k1） 這時晶片厚度n。-ne 4，稱做1/4波片。它能使線偏振光改變偏振態(tài)，變成橢圓偏振光。但是當入射光振動面與波片光軸夾角0= 45寸，Ae= Ao，合振動方程可寫成x2 y2 = A2即獲得圓偏振光。3器件簡介3.1二維調(diào)節(jié)滑動座

10、這是光具座上使用的一種有特殊裝置的滑動座，4個旋鈕分列兩側(cè)，其中一側(cè)有3個，上方的用于調(diào)節(jié)光學器件（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 于鎖定滑動座在導軌上的位置。3.2移動測量架主要機構(gòu)是一個百分鼓輪控制精密絲杠，使一個可調(diào)狹縫往復移動，并由指針在直尺上指示狹縫的位置，狹縫前后分別有進光管和安裝光電探頭的圓套管。鼓輪轉(zhuǎn)動一周，狹縫移動1mm，所以鼓輪轉(zhuǎn)動一個小格，狹縫（連同光電探頭）只移動 0.01mm。3.3光傳感器主要由Si光電探測器、衰減片和固定支架組成。 可用于相對光強測量， 在干涉、衍射和偏振實驗 中都可以使用，波長范圍：200-1050nm。3.

11、4 SGN-3型數(shù)顯光電流放大器通過XS12K3P接插件（航空插頭）與光傳感器連接，可在與測量相對光強有關的實驗中使用。 該儀器操作簡便。前面板上除數(shù)字顯示窗和開關外，只設一個增益調(diào)節(jié)旋鈕。如遇較高光強超出 增益調(diào)節(jié)范圍而溢出（窗口顯示 “ 1”可酌加光闌或加大距離，以恢復正常顯示。4實驗4.1測繪夫朗禾費單縫衍射光強分布圖4.1.1光路調(diào)節(jié)將激光管裝入激光器架，移動光靶裝在一個無橫向調(diào)節(jié)裝置的普通滑動座上，光傳感器（或光功率計）的探頭裝在移動測量架上。先轉(zhuǎn)動百分手輪，將測量架調(diào)到適當位置，并使移動光靶倒退，直到靶后的圓筒能夠套在測量架的進光口上，再接通激光器電源，在沿導軌逐步移動光靶的過程

12、中，隨時調(diào)節(jié)激光器架，使光點始終打在靶心上。在反復調(diào)節(jié)之后，取下光靶，將干版架固定在 距離硅光電池約 85cm的二維調(diào)節(jié)滑動座上，并夾緊可調(diào)狹縫。只要橫向位置居中，縫寬適當， 縫體鉛直，就能在測量架翻轉(zhuǎn)向上的白屏上獲得適合測量的夫朗禾費衍射圖樣。4.1.2測量將測量架上的白屏翻下來，并給光電流放大器接通220V電源。橫向微調(diào)滑動座，在衍射狹縫左右移動的同時，觀察數(shù)顯示值，直到出現(xiàn)峰值暫停。按直尺和鼓輪上的讀書和光電流放大器數(shù)字 顯示，記下光電探頭位置和相對光強數(shù)值后，再選定任意的單方向轉(zhuǎn)動鼓輪，并且每轉(zhuǎn)動0.1mm記錄1次數(shù)據(jù)，直到測完 0-2級極大和1-3級極小為止。激光器的功率輸出或光傳感

13、器的電流輸出有些起伏，屬正常現(xiàn)象。使用前經(jīng)10-20min預熱，可能會好些。實際上，接收裝置顯示數(shù)值的起伏變化小于10 %時，取中間值作記錄即可，對衍射圖13 / 10樣的繪制并無明顯影響。4.2多縫和圓孔的夫朗禾費衍射基本方法與單縫衍射相同，可酌情安排補充練習。4.3數(shù)據(jù)處理4.3.1在一張毫米方格紙上選取部分測量數(shù)據(jù)作夫朗禾費衍射光強分布圖（對稱分布的一半）,sin B = k兀4.3.2根據(jù)式（2-1）,令1 = 0,求暗條紋位置：1=0時，sin u=0,即u = k?；蛉?，于是有asin日=也 （k= 1, 2）（4-1）據(jù)此對照實測圖形，分析暗條紋的分布規(guī)律。4.3.3根據(jù)實驗數(shù)據(jù)

14、和（4-1）式計算狹縫寬度。4.4馬呂斯定律實驗4.4.1先將半導體激光管固定在光具座的中部附近，使光束直射光傳感器，記下與它連接的光電流放大器的數(shù)顯窗口示值 10,再使激光束垂直通過兩個偏振方向夾角B為零的偏振片后，進入光傳感器，并記錄光電流放大器的讀數(shù)。轉(zhuǎn)動其中一個偏振片，每當B改變10記錄一次讀數(shù)Ik（k= 1, 2, 3），直到偏振片轉(zhuǎn)動一周為止。4.4.2以lk/10 （% max）表示相對光強，做縱坐標，以9度（deg）表示兩個偏振片的角的位置，做橫坐標，在毫米格紙上作圖，以驗證光強與起偏器夾角余弦平方的變化關系。4.5布儒斯特角實驗4.5.1反射起偏振使半導體激光束通過狹縫入射到

15、離狹縫10多cm遠與光電流放大器連接的光傳感器上，記錄讀數(shù)10,再用光學測角臺置換光傳感器，使光束入射到立在測角臺度盤直徑上的黑玻璃鏡上，并使擦 邊光在白色度盤上顯出光跡；同時用裝在測角臺上的光傳感器接收反射光，并讀取數(shù)顯屏上的數(shù) 據(jù)，從入射角10。開始，轉(zhuǎn)動測角臺圓度盤， 每隔5。轉(zhuǎn)動接收臂，記錄一次光電流讀數(shù)，直到85為止。用檢偏器檢查任意反射光束，都是部分偏振光。以反射偏振光的相對光強（）為縱坐標，以角度為橫坐標作圖，即得一反射偏振光強度與入射 角的關系曲線。4.5.2測定布儒斯特角按4.5.1所述方法讀取10,再讓激光束被立在測角臺直徑上的黑鏡反射，通過轉(zhuǎn)動臂上的檢偏器 到達光傳感器（圖 4-1 ）。使檢偏器的偏振方向水平，從入射角50。開始測量通過檢偏器的光強，然后轉(zhuǎn)動測角臺以2。的間隔改變?nèi)肷浣?，并且從反射方向測量和記錄偏振光強。在56左右，要多取幾個數(shù)據(jù)，繼續(xù)測到62為止。所得數(shù)據(jù)中，通過檢偏器后光強為零時的入射角就是布儒斯特角。用上述測量數(shù)據(jù)做曲線圖時，以通過檢偏器的相對光強（）為縱坐標，以角度為橫坐標。激光器4光電探頭接光電流放大器圖4-14.6橢圓偏振光和圓偏振光的產(chǎn)生和檢驗在光具座上，讓半導體激光束通過起偏器P （設偏振方向豎直）成為線偏振光，再通過光軸取任意方向的1/4波片Q,