實驗報告格式

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上光電技術(shù)實驗報告實驗日期：2014年11月24-25日一、 實驗?zāi)康?. 干涉的實驗?zāi)康?) 組裝調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀，觀察點光源產(chǎn)生的非定域等厚、等傾干涉條紋記錄。2) 觀察干涉條紋反襯度隨光程差變化。了解光源干涉長度的意義，檢查防震臺穩(wěn)定性。3) 比較平面波和球面波產(chǎn)生干涉條紋的區(qū)別。2. 衍射的實驗?zāi)康?) 驗證夫瑯禾費衍射圖樣的若干規(guī)律。2) 掌握測量利用光電元件測量光強的方法。3) 用Matlab模擬夫瑯禾費衍射現(xiàn)象。二、 實驗儀器1. 干涉實驗儀器He-Ne激光器，反射鏡，衰減器，分光光楔，擴束器，顯微物鏡鏡頭，光闌，CCD，配備相關(guān)軟件的計算機，白板。2.

2、 衍射實驗儀器He-Ne激光器，反射鏡，雙凸透鏡，狹縫，圓孔，一維光柵，衰減器，CCD，計算機。三、 基本原理1. 邁克爾遜干涉儀的非定域干涉條紋本儀器是用分裂振幅的方法產(chǎn)生雙光束干涉以實現(xiàn)光的干涉。從激光器岀射的光束經(jīng)過準直擴束器系統(tǒng)，形成一束寬度合適的平行光束。這束平行光射入分光棱鏡之后分為兩束。一束由分光棱鏡反射后到達發(fā)射鏡，經(jīng)反射后透過分光棱鏡，形成岀射光束，這是第一光束；另一束透過分光棱鏡，到達反射鏡，經(jīng)過反射后再次到達分光棱鏡，形成反射光束，這是第二束光。在分光棱鏡前方兩束光的重疊區(qū)域放上CCD。干涉原理，如有圖所示，其中S為單色點源，M1、M2為互相垂直放置的平面反射鏡。BS為分

3、束鏡，放在M1M2法線的交點上，并分別與M1、M2成45°角。電光源S發(fā)出球面波經(jīng)BS的鍍膜層分為兩束光。這兩束光分別經(jīng)M1、M2反射又回到BS，在BS上透過和反射的這兩束光在BS的右側(cè)空間形成一非定域的干涉場。屏幕放在干涉場中垂直于光束方向，在屏幕上可以看到干涉條紋。M2與M1平行時（及M2與M1相互垂直），產(chǎn)生圓形干涉條紋，當M2與M1 之間有一定小的傾角時，屏幕上的干涉條紋不再是圓形的封閉曲線，而變成彎線或是接近直線（實際上是雙曲線或橢圓的一部分）。圓心條紋中心處的光強取決于M1M2相對的距離d，即：當d=k時，（k為整數(shù)），中心出現(xiàn)亮點；當d=(k+1/2) 時,中心出現(xiàn)暗點

4、。圓形條紋的粗細和疏密程度與d有關(guān)。當d減小時，圓條紋顯得疏而粗；當d增大時，條紋變得細而密。2， 撒格雷特干涉儀用分振幅法產(chǎn)生兩束光以實現(xiàn)干涉的儀器它是由一塊分光棱鏡和三塊全反射鏡組成，四面的中心光路構(gòu)成一個平行四邊形。從激光器岀射的光束經(jīng)過準直擴束系統(tǒng)，形成一束寬度合適的平行光。這束平行光射入分光棱鏡之后 分為兩束，一束由分光棱鏡反射后達到反射鏡，經(jīng)過三個反射鏡三次反射，形成出射光；第二束光通過分光棱鏡，也是經(jīng)過三個反射鏡反射后射出。這兩束光的路徑相反，但是岀射時幾乎同向。在分束鏡前方兩束光的重疊區(qū)域放上屏P。若兩束光嚴格平行，則在屏幕上不出現(xiàn)干涉條紋；若兩束光在水平方向有一個交角，那么在

5、屏幕的豎直方向出現(xiàn)干涉條紋，而且兩束光交角越大，干涉條紋越密。3. 馬赫-曾德干涉儀用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉的儀器它是由兩塊分光棱鏡和兩塊全反射鏡組成，四個反射面接近互相平行，中心光路構(gòu)成一個平行四邊形。從激光器中岀射的光束經(jīng)過準直擴束系統(tǒng)，形成一束寬度合適的平行光束。這束平行光射入分光棱鏡之后分為兩束。一束由分光棱鏡反射后到達反射鏡，經(jīng)過其再次反射并透過一個分光棱鏡之后分為兩束光；另一束透過分光棱鏡，經(jīng)過反射鏡及分束鏡兩次反射后射出。在最后一塊分光棱鏡前方兩束光的重疊區(qū)域放上屏P。若兩束光嚴格平行，則在屏幕不出現(xiàn)干涉條紋；若兩束光在水平方向有一個交角，那么在屏幕的豎直方向出現(xiàn)干涉條紋，

6、而且兩束光交角越大，干涉條紋越密。4. 夫瑯禾費衍射原理夫瑯禾費衍射使光源距離衍射屏為無限遠即用平面波照射衍射屏，并在無限遠接收的裝置。實際上要把光源及接收屏放在離衍射屏無限遠處是辦不到的。此外，根據(jù)菲涅爾近似條件和夫瑯禾費近似條件，只要依據(jù)近似條件，觀察屏相對而言足夠遠，便是夫瑯禾費衍射。 （1）夫瑯禾費單縫衍射夫瑯禾費單縫衍射花樣的特點是：衍射斑條紋方向與狹縫方向相平行，各級衍射斑沿狹縫垂直的方向分布開。在中央具有特別明亮的亮條紋，兩側(cè)排列著一些強度較小的亮條紋，絕大部分光能都落在中央條紋上。相鄰的亮條紋之間有一條暗條紋，以相鄰暗條紋之間的間隔作為亮條紋的寬度，則兩側(cè)亮條紋是等寬的。而中央

7、亮條紋的寬度是其他亮條紋的兩倍。中央亮條紋的寬度與波長成正比，與狹縫寬度成反比，當縫寬變大時，衍射分布范圍變小。在用散射角極小的激光器產(chǎn)生激光束，通過一條很細的狹縫（0.10.3毫米寬），在狹縫后大于1.5米的地方放上觀察屏，就可以看到衍射條紋，這就是夫瑯禾費衍射條紋。根據(jù)理論計算可得，垂直入射于單縫平面的平行光經(jīng)單縫衍射后光強分布規(guī)律為：式中，d是狹縫寬，是波長，D是單縫位置到光源位置的距離，x是從條紋的中心位置到測量點之間的距離。（2）夫瑯禾費圓孔衍射平行激光束垂直地入射于圓孔光闌上，衍射光束被透鏡匯聚在它的角平面上，若在此焦平面上放置一接收屏，將呈現(xiàn)出衍射條紋。圓孔屏的夫瑯禾費衍射花樣的

8、中心為一亮的圓斑，成為艾里斑，它集中了84%以上的光能量，其周圍環(huán)繞著一些明暗相間的同心圓環(huán)，其亮度與艾里斑相比要相對低很多。艾里斑中心是幾何光學像點，衍射光束角分布的彌散程度可用艾里斑的大小，即第一暗環(huán)的角半徑來衡量, =1.22/D,其中D是圓孔直徑，在衍射花樣中，亮斑與圓環(huán)的邊緣都很不清晰，是緩慢變化的。光強的分布與單縫衍射花樣很相像?？梢钥闯墒菃慰p衍射花樣繞入射光的軸線旋轉(zhuǎn)一周而成。但衍射花樣的線度卻與具有和圓孔徑直徑相等寬度的單縫衍射花樣的線度大不相同。衍射光強分布函數(shù)：四、 實驗內(nèi)容與步驟1. 調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀（1）調(diào)節(jié)激光束使平行于臺面，通過針孔濾波器，雙凸透鏡使之出射光為平行

9、光，調(diào)節(jié)反射鏡及分束鏡仰角，使鏡面垂直于光束。（2）觀察非定域干涉條紋，按照光路圖搭建好光路，首先M1M2與BS基本等距，調(diào)節(jié)M1M2角度，在屏幕上看到條紋，同時微調(diào)M1 （或M2），觀察條紋變化，加大距離后，調(diào)到圓條紋，觀察條紋粗細及緊密的變化。（3）觀察條紋反襯度隨光程差的變化。移動M1 （或M2）以改變一束光的光程，觀察條紋反襯度的變化，估算相干長度。2. 調(diào)節(jié)薩格奈特干涉儀在邁克爾遜干涉儀的光路中，直接加入一個全反射鏡，調(diào)節(jié)三個反射鏡的角度，使兩束光最后在CCD面板上重合?；静襟E四步：（1）調(diào)光束高度及水平；（2）調(diào)平行光；（3）搭光路，量光程；（4）調(diào)兩光斑的重合。內(nèi)容：（1）記錄

10、實驗的數(shù)據(jù)和顯示圖。（2）拍實驗臺，或在臺旁的地上跳動，觀察干涉條紋的變化及恢復情況。觀察實驗臺的穩(wěn)定性。（3）移動任意一塊反射鏡，以改變光束方向，一直到干涉條紋消失，觀察其靈敏度。3. 調(diào)節(jié)馬赫-曾德干涉儀在薩格奈特干涉儀的光路中，將加入的全反射鏡替換為一個分光束棱鏡，調(diào)節(jié)兩個反射鏡的角度，使岀射的兩束光最后在CCD面板上重合。內(nèi)容：記錄實驗的數(shù)據(jù)和顯示圖。4. 調(diào)節(jié)夫瑯禾費衍射裝置（1）夫瑯禾費圓孔衍射裝置調(diào)節(jié)按如下圖的光路搭建光路。實驗中調(diào)節(jié)圓孔的孔徑大小，觀察衍射條紋的變化。（2）夫瑯禾費單縫衍射裝置調(diào)節(jié)夫瑯禾費單縫衍射裝置的調(diào)節(jié)是將上述圓孔衍射裝置的擴束器去掉，同時將圓孔替換為單縫，

11、即完成夫瑯禾費單縫衍射裝置的調(diào)節(jié)。實驗中，改變縫寬，觀察條紋的變化，并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)和條紋現(xiàn)象。五、 實驗結(jié)果及討論1. 邁克爾遜干涉儀實驗結(jié)果及討論邁克爾遜干涉儀實物搭建：圖1 -實物搭建的邁克爾遜光路圖圖1.2-平面波干涉圖樣（b）圖1.1-平面波干涉圖樣（a） 圖1.3-球面波干涉圖樣經(jīng)組裝好的光路所得平面波與球面波形呈現(xiàn)的都很清晰，實驗很成功。但是我們在這個實驗中浪費了很長時間，原因無它，就是因為對實驗理解上出現(xiàn)了偏差，一度在平面波干涉圖樣中尋找環(huán)形圖樣，費時很長。圖1是我們搭建的邁克爾遜干涉儀的光路圖。圖1.1(a)是M1與M2 距離很小時，得到的干涉圖樣，比較清晰。當改變距離后得到

12、1.2(b)所示的圖樣。比較兩圖，可以看出，變化后，條紋變密且變細。在光路中的加入一個傅里葉透鏡得到球面波的干涉圖樣，如圖1.3所示。2. 薩格奈特干涉儀實驗結(jié)果圖2-薩格奈特干涉儀實物光路圖圖2.1-薩格奈特干涉儀干涉條紋經(jīng)過第一次的教訓，我們認真的閱讀了實驗原理，很順利的完成了這個實驗。3. 馬赫-曾德干涉實驗結(jié)果圖3-馬赫曾德干涉儀實物光路圖圖3.1-馬赫曾德干涉儀干涉條紋 對于這個實驗，我們也做了很長時間的調(diào)整，最后找出的條紋也不是很清晰，應(yīng)該是條紋太密集的原因，圖3.1右圖所示就是放大之后的結(jié)果。4.夫瑯禾費衍射實驗結(jié)果圖4-夫瑯禾費衍射實驗實物光路圖(1) 夫瑯禾費單縫衍射圖4.1

13、-狹縫寬度不同時，夫瑯禾費狹縫衍射條紋圖 調(diào)整縫寬前后衍射圖樣的對比，發(fā)現(xiàn)條紋的明暗程度以及狹縫寬度的變化是有規(guī)律可尋的?？p越窄條紋越寬，但是亮度變暗。（2）夫瑯禾費圓孔衍射圖4.2-夫瑯禾費圓孔衍射實驗實物光路圖實驗結(jié)果所示，衍射條紋十分的完美。但其中有一些規(guī)律的光點，可能是與CCD里面固件構(gòu)造有關(guān)，也可能是放大鏡中存在的問題七、 Matlab模擬夫瑯禾費衍射1. Matlab模擬夫瑯禾費圓孔衍射clear allclcN=256;circle=zeros(N,N);m,n=meshgrid(linspace(-N/2,N/2-1,N);r=5;a=0;b=0;%確定圓孔的圓心位置D=(m+

14、a).2+(n+b).2).(1/2);I=find(D<r);circle(I)=1;figure(3)imshow(circle);%顯示這個圓孔f1=fft2(circle);f2=abs(f1);f3=fftshift(f2);figure(4)imshow(f3,);在一個256*256的屏上，開一個半徑為5的圓孔，得結(jié)果如下：圖7.2-夫瑯禾費衍射圓孔及衍射結(jié)果圖 2. Matlab模擬夫瑯禾費單縫衍射clear allclcSlit=zeros(256,256);%建立一個256*256的空矩陣Slit (10:246,122:134)=1;%在空矩陣中開一個寬為12的單縫

15、imshow(Slit);%顯示這個孔f1=fft2(Slit);f2=abs(f1);f3=fftshift(f2);figureimshow(f3,);在一個256*256的屏上，開一個縫寬為12的縫，結(jié)果如下：圖7.1-夫瑯禾費衍射狹縫及衍射結(jié)果圖 3. Matlab模擬夫瑯禾費矩形孔衍射clear allclcRect=zeros(256,256);%建立一個256*256的空矩陣Rect(123.5:132.5,123.5:132.5)=1;%在空矩陣中開一個101*101的方孔imshow(Rect);%顯示這個孔f1=fft2(Rect);f2=abs(f1);f3=fftshi

16、ft(f2);figureimshow(f3,);在一個256*256的屏上，開一個邊長為5的矩形孔，衍射結(jié)果如下：圖7.3-夫瑯禾費衍射 矩形孔及衍射結(jié)果圖 八、 實驗思考題回答1. 分析、總結(jié)干涉實驗系統(tǒng)的搭建技巧答：（1）在搭建的過程中，首先是準備好實驗所需的光學器件。（2）其次，對所用的光學器件根據(jù)激光束的岀射高度進行統(tǒng)一調(diào)整。（3）一定要調(diào)節(jié)平行光，在調(diào)節(jié)時，要同時微調(diào)兩個反射面。（4）在觀察光線是否能夠照射到所要照射的面上時，可以用一個屏板放在所要照射的面前，觀察光束。2. 對于邁克爾遜干涉系統(tǒng)，使用平行光與點光源生成的干涉條紋有什么區(qū)別？答：平行光生成的條紋更清晰，且條紋為圓條紋

17、。點光源生成的條紋不是圓條紋，因為，入射光有一定的傾角。3. 這三種干涉系統(tǒng)中，干涉條紋的粗細與什么因素有關(guān)，請分析。答：（1）邁克爾遜干涉儀：條紋的粗細與兩個反射面的距離或傾角有關(guān)。當距離增加時條紋變細；反之，當距離減小時，條紋變粗。（2）薩格奈特干涉儀：條紋的粗細和兩束光的交角有關(guān)，交角越大，干涉條紋越密。（3）馬赫-曾德干涉儀：條紋的粗細和兩束光的交角有關(guān)，交角越大，干涉條紋越密。4. 邁克爾遜干涉儀中，改變兩個反射鏡的距離差，會引起干涉圖樣的變化，那么這個距離差是否可以任意調(diào)節(jié)？為什么？答：不能任意調(diào)節(jié)。因為激光雖然是單色光，但并不是絕對的單色光，所以，存在一個相干長度，使兩個反射鏡的距離差在相干長度以內(nèi)，會得到很好的干涉圖樣，如果比相干長度大很多，得到的干涉圖樣就很模糊。5. 請問你在實驗中遇到什么問題，解決的方法是什么？答：（1）由于實驗中需要調(diào)節(jié)平面鏡為45°角，因為沒有專門的儀器輔助調(diào)節(jié)，所以，我們根據(jù)光學平臺上的孔，對角線是45°來調(diào)節(jié)。（2）實驗過程中，經(jīng)常遇到，由于各種光學器件的表面對光線具有反射作用，從而是衍射圖像上出現(xiàn)本不應(yīng)該出現(xiàn)的亮點，干擾實驗。解決的方法是，找到發(fā)射光源后，利用一個鏡面把它反射到其他地方。6. 什么叫光的衍射