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文檔簡介

1、實驗單縫衍射及光強分布測試光的干涉和衍射現象揭示了光的波動特性。光的衍射是指光作為電磁波在其傳播路徑上如果遇到障礙物,它能繞過障礙物的邊緣而進入幾何陰影區內傳播的現象。 光在衍射后產生的明暗相間的條紋或 光環叫衍射圖樣,包括:單縫衍射、圓孔衍射、圓板衍射及泊松亮斑等。根據觀察方式的不同,通常把光的衍射現象分為兩種類型。一種是光源和觀 察屏(或二者之一)距離衍射孔(或縫、絲)的長度有限,或者說入射波和衍射 波都是球面波,這種衍射稱為菲涅耳衍射,或近場衍射。另一種是光源和觀察屏 距離衍射孔(或縫、絲)均為無限遠或相當于無限遠,這時入射波和衍射波都可 看作是平面波,這種衍射稱為夫瑯禾費衍射,或遠場衍

2、射。實際上,夫瑯禾費衍 射是菲涅耳衍射的極限情形。觀察和研究光的衍射不僅有助于進一步加深對光的波動理論和惠更斯一菲 涅耳原理的理解,同時還有助于進一步學習近代光學實驗技術,如光譜分析、晶體結構分析、全息照相、光信息處理等。衍射使光強在空間重新分布,本實驗利 用硅光電池等光電器件測量光強的相對分布,是一種常用的光強分布測量方法。【實驗目的】1 .觀察單縫衍射現象,加深對波的衍射理論的理解。2 .測量單縫衍射的相對光強分布,掌握其分布規律。3 .學會利用衍射法測量微小量的思想和方法。4 .加深對光的波動理論和惠更斯一菲涅耳原理的理解。【實驗原理】1.單縫衍射的光強分布光線在傳播過程中遇到障礙物,如

3、不透明物體的邊緣、小孔、細線、狹縫等 時,一部分光會傳播到幾何陰影中去, 產生衍射現象。如果障礙物的尺寸與波長相近,那么,這樣的衍射現象就比較容易觀察到。散射角極小的激光器產生激光束,通過一條很細的狹縫(0.10.3mm寬), 在狹縫后大于0.5m的地方放上觀察屏,就可看到衍射條紋。由于激光束的方向 性很強,可視為平行光束,因此觀察到衍射條紋實際上就是夫瑯禾費衍射條紋, 如圖1所示。7光照射在單縫上時,根據惠更斯一菲涅耳原理:把波陣面上的各點都看成子波波源,衍射時波場中各點的強度由各子波在該點相干疊加決定。即就是說單縫上每一點都可看成是向各個方向發射球面子波的新波源,由于子波迭加的結果, 在屏

4、上可以得到一組平行于單縫的明暗相間的條紋。圖1中寬度為d的單縫產生的夫瑯禾費衍射圖樣,其衍射光路圖滿足近似條 件:產生暗條紋的條件是:(1)(k= ± 1, ±2, ± 3,)暗條紋的中心位置為:兩相鄰暗紋之間的中心是明紋中心;由理論計算可得,垂直入射于單縫平面的平行光經單縫衍射后光強分布的規律為(3)d是狹縫寬,是波長,D是單縫位置到光電池位置的距離,X是從衍射條紋的中心位置到測量點之間的距離,其光強分布如圖 2所示。1I( x )010- 102 二Xi2圖2X當a相同,即x相同時,光強相同,所以在屏上得到的光強相同的圖樣是平行于狹縫的條紋。當a =0時,x

5、= o, I = I。,在整個衍射圖樣中,此處光強最強,稱為中央主極大;中央明紋最亮、最寬,它的寬度為其他各級明紋寬度的兩 倍。當8 = K7r(K = < =2,),即8 = eD/d時, = 0在這些地方為暗條紋。暗條紋是以光軸為對稱軸,呈等間隔、左右對稱的分布。中央亮條紋的寬度&x可 用K = ±1的兩條暗條紋間的間距確定,Ax=2ZD/d;某一級暗條紋的位置與縫寬 d 成反比,d大,x小,各級衍射條紋向中央收縮;當d寬到一定程度,衍射現象 便不再明顯,只能看到中央位置有一條亮線,這時可以認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光強分別為:L0 =

6、 0.047, 0.017, 0.008,2.衍射障礙寬度(d )的測量 由以上分析,如已知光波長 九,可得單縫的寬度計算公式為,K Dd =-x(5)式中K是暗條紋級數,D為單縫至屏之間的距離,x為第K級暗條紋距中 央主極大中心位置距離。用光的衍射可以測量細縫的寬度。同理,如已知單縫的寬度,可以測量未知的光波長。根據互補原理,光束照射在細絲上時,其衍射效應和狹縫一樣,在接收屏上 得到同樣的明暗相間的衍射條紋。 于是,利用上述原理也可以測量細絲直徑及其 動態變化。如圖3所示。【實驗儀器】光強分布測試儀【儀器介紹】1.硅光電池光電接收器2.一維可調移動尺.衍射片.半導體激光器電源3 .光電流檢測

7、主機45 .半導體激光器67 .光學導軌【預習思考題】1 .光的干涉與衍射有什么異同?2 .讓激光發出的單色光照射到狹縫上,當狹縫寬度逐漸改變時,在光屏上出現的現象怎樣變化?3 .如果單縫到接收屏的距離改變,衍射圖樣和相對光強分布線有何變化?【注意事項】1 .請不要用眼晴直視激光束,以免損害視網膜。2 .光強分布測試儀量程分為兩檔,用以測量不同的光強范圍,使用前應先 預熱5分鐘。3 .由于硅光電池的受光面積較大,而實際要求測出各個點位置處的光強, 所以在硅光電池前裝可調細縫光欄, 用以控制受光面積,并把硅光電池裝在帶有 螺旋測微裝置的底座上,可沿橫向方向移動,這就相當于改變了衍射角。4 .由于

8、激光衍射所產生的散斑效應,光電流會出現一定的跳動屬正常現象, 實驗中可根據判斷選一中間值。【實驗內容與步驟】1 .觀察單縫衍射的光強分布(1)在(1.2 m)光導軌上正確安置好各實驗裝置,如上圖所示;打開激光器, 調節激光束與導軌平行用白屏觀測單縫衍射變化。(2)開啟檢流計,預熱5分鐘;仔細檢查激光器、單縫和一維光強測量裝置 的底座是否放穩,要求在測量過程中不能有任何晃動; 使用一維光強測量裝置時 注意鼓輪單方向旋轉的特性。衍射片與光電接收距離最好在100cm左右。2 .測量衍射光斑的相對強度分布(1)檢流計電流量程為(20)檔,轉動一維光強測量裝置鼓輪,把硅光電池 狹縫位置移到光電中心位置處

9、,使衍射光斑中央最大兩旁相同級次的光強以同樣 高度射入硅光電池狹縫中。光電池接收器狹縫為0.4 mm。根據要求選擇其他合適的狹縫。(2)關掉激光器電源,檢流計調零,然后打開激光器電源,調節一維調節架 及其它光學元件找到電流最大值,然后調節靈敏度旋鈕為1.000為一個定值。或根據電流選著合適量程。(3)然后每隔0.1 mm或0.2 mm,取一個電流值。從一個方向讀取,一直測到 另一側的第三個暗點;應特別注意衍射光強的極大值和極小值的光強測量。3 .測量單縫的寬度(1)測量單縫到光電池之間的距離D或從導軌上的刻度讀數(2)由一邊3個暗點位置計算縫寬。(3)用測量顯微鏡直接測量縫寬,在縫的不同位置測

10、3次取平均值,并與前間接測量結果進行比較。【實驗數據記錄及處理本實驗使用的半導體紅光激光器波長為:九=650.0 nm1 .單縫衍射記錄:要特別注意衍射光強的極大值和極小值所對應的坐標的測量)表:1-1D=Io=x(mm)Ix(mm)Ix(mm)I2 .選取中央最大光強處為x軸坐標原點,把測得的數據作歸一化處理。即把在 不同位置上測得的檢流計光強讀數I除以中央最大的光強讀數Io,然后在毫米方 格(坐標)紙上做出I-x衍射相對光強分布曲線。3 .儀器只做單縫衍射實驗,其它的衍射可以作為學生演示。【思考題】1 .不同縫寬的單縫,具光強的分布有何特點?2 .能否使用本實驗中的光強分布測試儀測定各級明條紋的衍射角?3 .根據實驗結果分析單縫衍射光強分布測量中的誤

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