光強(qiáng)分布測(cè)試儀講義

衍射光強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 觀察單縫衍射現(xiàn)象，歸納總結(jié)衍射現(xiàn)象的規(guī)律和特點(diǎn)。2、 測(cè)量單縫衍射相對(duì)光強(qiáng)分布和衍射角、縫寬等物理量。二、儀器設(shè)備半導(dǎo)體激光器，光具座，可調(diào)狹縫，光電探頭，數(shù)字檢流計(jì)等。三、實(shí)驗(yàn)原理光的衍射現(xiàn)象是光的波動(dòng)性的一種表現(xiàn)，可分為菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射兩類，菲涅耳衍射是近場(chǎng)衍射，夫瑯和費(fèi)衍射是遠(yuǎn)場(chǎng)衍射。產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射的條件，是光源和顯示衍射圖象的屏離衍射物（例如單縫）的距離要求視為無限遠(yuǎn)，即入射光和衍射光都是平行光。其實(shí)驗(yàn)光路如圖所示，其犧是波長(zhǎng)液的單色光源，被放在透鏡的焦面上，單色光經(jīng)透鏡后，形成一束平行光，垂直照射在單縫上，通過單縫后的衍射光經(jīng)透鏡L會(huì)聚在其焦面（屏）上，于是在屏上呈現(xiàn)出明暗相間的衍射條紋。PSPS圖1單縫衍射實(shí)驗(yàn)原理圖由惠更斯?菲涅耳原理可推得，單縫衍射圖象的光強(qiáng)分布規(guī)律為兀asin01）sin2p兀asin01）0p2式中a為單縫的寬度，為衍射光與入射光間夾角 衍射角為入射光波長(zhǎng)，由公式1）可知：1、當(dāng)0=0時(shí)，I二10，這就是與光軸平行的光線會(huì)聚點(diǎn)（中央明條紋的中心^點(diǎn)處）的光強(qiáng)，是衍射圖象中光強(qiáng)的極大值，稱為中央主極大。

2、當(dāng)asin0=k九（k=+1,+2…）時(shí)貝4=k兀,I二0即為暗條紋，與此衍射

對(duì)應(yīng)的位置為暗條紋的中心，實(shí)際J角很小，禪Qsn0，因此暗紋出現(xiàn)的條件為單縫衍射光強(qiáng)分布根據(jù)G）式，作I/10~sin0圖，可得圖2所示單縫衍射的相對(duì)光強(qiáng)分布曲線，通過分析，我們可知單縫衍射有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1、 中央明條紋的寬度由=±1的兩個(gè)暗條紋的衍射角所確定，即中央明條紋的角寬度為A0=2V'a，其余各級(jí)明條紋角寬度0=九飛，所以中央明條紋寬度是其他各級(jí)明條紋寬度的倍。2、 衍射角）與縫寬a成反比，縫加寬時(shí)，衍射角減小，各級(jí)條紋向中央收縮。當(dāng)縫寬足夠大（a>>九）時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯，從而可以忽略不計(jì)，將光看成是沿直線傳播的。因角0很小，可算得狹縫的寬度為3、 對(duì)于任意兩條相鄰暗條紋其衍射角的差值為0=V'a，即暗條紋是UP點(diǎn)為中心等間隔地向左右對(duì)稱地分布的。4、 位于兩相鄰暗條紋之間的是各級(jí)明條紋它，們的寬度是中央明條紋寬度的一半這，些明條紋的光強(qiáng)最大值稱為次極大。通過計(jì)算這些次極大的位置如用衍射角表示分別為0=±143號(hào)、±2.46/、±3.47y…… （4）它們的相對(duì)光強(qiáng)分別為I/10 0.047、0.017、0.008,…… ⑸四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察單縫衍射現(xiàn)象（1）按夫瑯和費(fèi)衍射的要求，在光具座上布置和調(diào)整各光學(xué)元件，調(diào)節(jié)激光器、狹縫、光電探頭等高共軸。（2）打開激光器，用小孔屏調(diào)整光路，使出射的激光束與導(dǎo)軌平行。（3）打開檢流計(jì)電源，預(yù)熱及調(diào)零，并將測(cè)量線連接其輸入孔與光電探頭。注意：1.接上電源，開機(jī)預(yù)熱15分鐘；選擇開關(guān)置于“1”檔，衰減旋扭置于校準(zhǔn)位（置即順時(shí)針轉(zhuǎn)到頭，置于靈敏度最高位置），調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，使數(shù)據(jù)顯示為零；測(cè)量信號(hào)大于該檔量程儀器會(huì)有超量程指示即數(shù)碼管顯示或“E”,其它三位均顯示“9”，此時(shí)可調(diào)高一檔量程；（4）調(diào)節(jié)單縫，對(duì)準(zhǔn)激光束中心，使之在小孔屏上形成衍射光斑。（5）調(diào)節(jié)單縫的寬度，使它由寬變窄，再由窄變寬，重復(fù)數(shù)次，觀察在調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和變化情況，例如屏上呈現(xiàn)的光斑如何變化？當(dāng)屏上出現(xiàn)可分辨的衍射條紋時(shí)，單縫的寬度約為多少？繼續(xù)減小縫寬時(shí)，衍射圖象如何變化（是收縮還是擴(kuò)展）？調(diào)節(jié)縫寬使呈現(xiàn)出清晰的衍射圖象，比較各級(jí)明條紋的寬度以及它們亮度分布情況。2、測(cè)量單縫衍射的相對(duì)光強(qiáng)分布（1）移去小孔屏，調(diào)整光電探頭中心與激光束高低一致移，動(dòng)方向與激光束垂直其，始位置適當(dāng)；開始測(cè)量，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使光電探頭沿衍射圖象展開方軸）（單向平移，以等間隔的位移（如0.5mm或1mm等）對(duì)衍射圖象的光強(qiáng)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量記錄位置坐和對(duì)應(yīng)的檢流計(jì)所指示的光電流值讀數(shù)要特別注意E錄衍射光強(qiáng)的極大值和極小彳值所應(yīng)的坐標(biāo)。（2）在光具座上測(cè)出狹縫到光電池的距離由公式3）和（4）算出狹縫的寬度。（3）由于激光衍射所產(chǎn)生的散班效應(yīng)，光電流值顯示將在實(shí)際值1的0%約范圍內(nèi)上下波動(dòng)，屬于正?，F(xiàn)象實(shí)驗(yàn)中可根據(jù)判斷選一中間由于一般相鄰兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)如間隔15mm時(shí)）的光電流值相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，故該波動(dòng)一般不影響測(cè)量。［注意事項(xiàng)］1、不要在強(qiáng)光、潮濕、震動(dòng)較大的場(chǎng)合使用，以免影響測(cè)量精度。2、使用完畢，應(yīng)將兩塊分劃板及可調(diào)狹縫包藏好，以免受污、受損。3、導(dǎo)軌應(yīng)經(jīng)常保持潤(rùn)滑，定期上油。4、光電探頭使用完畢后應(yīng)受妥放置于較暗避處免，光電池長(zhǎng)時(shí)間暴露于強(qiáng)光下加速老化。五、數(shù)據(jù)記錄及處理1、測(cè)量單縫衍射圖象的相對(duì)光強(qiáng)分布繪制衍射光的相對(duì)強(qiáng)叫與位置坐標(biāo)X的關(guān)系曲線。由于光的強(qiáng)度與檢流計(jì)所指示的電流讀數(shù)成正比因此可用檢流計(jì)的光電流的相對(duì)強(qiáng)度代替衍射光的相對(duì)強(qiáng)度匕即相對(duì)光強(qiáng)分布曲線。2、 從分布曲線可得各光強(qiáng)極小值其中測(cè)出第一級(jí)衍射暗條紋的位置同時(shí)將測(cè)得的距離L值代入3）式，計(jì)算相應(yīng)的單縫寬度，并與標(biāo)準(zhǔn)值相比較得出其相對(duì)誤差。3、 由光強(qiáng)分布曲線確定各級(jí)明條紋光強(qiáng)次極大的位置因分別利4）用式（計(jì)算出單縫寬度，并與標(biāo)準(zhǔn)值相比較得出其相對(duì)誤差。4、 由光強(qiáng)分布曲線確定各級(jí)明條紋光強(qiáng)次極大的相對(duì)光強(qiáng)，分5別）與式（所列的理論值比較。六、思考題1、 使狹縫的寬度變大或變小，衍射圖象分別會(huì)有什么變化？2、 如果測(cè)出的衍射光強(qiáng)分布曲線左右不對(duì)那稱是，什么原因造成的？怎樣調(diào)節(jié)光路才能避免這種現(xiàn)象的發(fā)生？圖一小孔狹縫板示意圖圖二光柵板示意圖表一：小孔狹縫板規(guī)格單縫DF1a=0.1DF2a=0.2DF3a=0.3單絲DS1a=0.1DS2a=0.2DS3a=0.3小孔XK1①二0.2XK2①二0.3XK3①二0.4小屏XP1①二0.2XP2①二0.3XP3①二0.4表二：光柵板規(guī)格正交光柵GS1 縱、橫均為d=1/50光 柵GS2 d=1/50雙孔①二0.2SK1d=0.25iSK2d=0.32SK3d=0.4矩孔JKa=0.12b=0