實(shí)驗(yàn)單縫衍射光強(qiáng)分布研究

./實(shí)驗(yàn)三單縫衍射光強(qiáng)分布研究一、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?、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；2、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；3、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)光在傳播過程中經(jīng)過障礙物時(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。單縫衍射有兩種：一種是菲涅耳衍射,單縫距離光源和接收屏均為限遠(yuǎn),或者說入射波和衍射波都是球面波；另一種是夫瑯禾費(fèi)衍射,單縫距離光源和接收屏均為無限遠(yuǎn)或相當(dāng)于無限遠(yuǎn),即入射波和衍射波都可看作是平面波。在用散射角極小的激光器<<0.002rad>產(chǎn)生激光束,通過一條很細(xì)的狹縫〔0.1～0.3mm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圖圖1當(dāng)激光照射在單縫上時(shí),根據(jù)惠更斯—菲涅耳原理,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,其衍射光路圖滿足近似條件：產(chǎn)生暗條紋的條件是：〔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。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)分布的規(guī)律為：〔3式中,是狹縫寬,是波長(zhǎng),是單縫位置到光電池位置的距離,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),圖2圖2,,在整個(gè)衍射圖樣中,此處光強(qiáng)最強(qiáng),稱為中央主極大；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方向移動(dòng),那么數(shù)字檢流計(jì)所顯示出來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。圖圖3四、實(shí)驗(yàn)儀器衍射光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：①單色光源：激光器；②衍射器件：可調(diào)單縫、多縫板、多孔板、光柵；③接收器件：光傳感器、光電流放大器、白屏；④光具座：1m硬鋁導(dǎo)軌。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。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。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)圍：200－1050nm。數(shù)顯光電流放大器通過接插件〔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)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)容與步驟按圖4安裝好各實(shí)驗(yàn)裝置。開啟光電流放大器,預(yù)熱10－20分鐘。1－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?！捕^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)極注意：在讀數(shù)前,應(yīng)繞選定的單方向旋轉(zhuǎn)幾圈后再開始讀數(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,屬于正常現(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18647834151414①1－3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1－3級(jí)暗條紋與中央主極大之間距離的計(jì)算值：1－3級(jí)暗條紋與中央主極大之間距離的測(cè)量值：1－3級(jí)暗條紋與中央主極大之間距離的百分誤差比為：②1－2級(jí)明條紋與中央主極大之間的相對(duì)光強(qiáng)比1－2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：1－2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：1－2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：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)分布曲線有無影響？具體說明有什么影響？答：〔1對(duì)單縫衍射圖樣無影響。因?yàn)?而,則。在、和相同時(shí),相等,與光強(qiáng)無關(guān),各級(jí)條紋位置不變,衍射