单缝衍射光强的分析.doc

实验5-16 单缝衍射光强的分析光波的波振面受到阻碍时，光绕过障碍物偏离直线而进入几何阴影区，并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象，叫做光的衍射。研究光的衍射不仅有助于进一步加深对光的波动性的理解，同时还有助于进一步学习近代光学实验技术，如光谱分析、晶体结构分析、 全息照相、 光信息处理等。衍射使光强在空间重新分布，通过光电转换来测量光的相对强度，是近代测试技术的一个常用方法。光的衍射分菲涅耳近场衍射和夫琅禾费远场衍射两大类，其中夫琅禾费衍射在理论上处理较为简单。本实验仅研究单缝夫琅禾费衍射。【实验目的】1加深对衍射理论的理解。2掌握用计算机采集系统实时获得曲线并分析单缝夫琅禾费单缝衍射的光强分布规律。【实验器材】图5-16-1 夫琅禾费单缝衍射计算机、CCD光强分布仪、He-Ne激光器、单缝、偏振光减光器。【实验原理】夫琅禾费单缝衍射的光强分布规律图5-16-2 单缝衍射的相对光强分布 如图5-16-1所示，将单色点光源S置于透镜L1的前焦点上， 从L1中射出的平行光垂直照射在宽度为a的狭缝上，通过狭缝所形成的衍射光经透镜L2会聚到位于其后焦平面的观察屏上，衍射光在观察屏上形成一组明暗相间的条纹。中央条纹最亮，其宽度约为其它亮条纹宽度的两倍，这组条纹就是夫琅禾费单缝衍射条纹。设中央亮纹的光强为，可以导出夫琅禾费单缝衍射的光强分布规律为 (5-16-1)若为平行光垂直射向单缝，则 式中是单色光的波长；是为单缝的宽度；是衍射角。根据上面的光强公式，可得单缝衍射的特征如下：（见图5-16-2）当=0时，光强最大，最大光强称为主极大，主极大的强度与光源强度和缝的宽度有关。当 (其中k=1，2，3)时，光强为零，出现暗纹，暗纹处的衍射角满足。另外，相邻两暗纹间都有一个次极大。通过计算可知，这些次极大出现在，处，它们的强度与主极大强度之比依次约为0.047，0.017，0.008。图5-16-3 夫琅禾费单缝衍射 若用He-Ne激光器作光源，则由于激光束的方向性好，能量集中，且缝宽a一般很小，这样就可以不用透镜L1 。又若观察屏(或接收器)距离狭缝较远，则透镜L2也可以不用，这样夫琅禾费衍射装置就可简化为如图5-16-3。本实验用光强分布仪作接收器，它采用了有高速运转速度的“时序-空序”转换器，当衍射花样的光强照射在采光窗上后，通过“时序-空序”转换器，把衍射花样的相对光强按空间位置变化的函数变为按时间变化的函数，并变成与光强成线性关系的光电流，将电信号适当放大后送到计算机供显示和测量。【实验内容】一、仪器的布置与调整1如图5-16-4所示，将He-Ne激光器安置在光学导轨的一端，在另一端放置一可以横向移动和上下升降的支架，光强仪固定在支架上。关闭光强仪上的电源开关。2接通He-Ne激光器电源，适当调整激光器和光强仪，将激光束射至光强仪采光窗的中部，并垂直采光窗所在平面。3在激光器和光强仪之间放一单缝，适当调整其高度，让激光束垂直通过单缝的中部。将衍射光投射在一张白纸上，观察单缝衍射图样。 4在激光器与单缝间放置一偏振光减光器，用来控制入射光的强度。图5-16-4 微机型LM99PC安装图1计算机数据采集盒 2-LM601/501 CCD光强仪 3置于光栅架上的组合光栅片 4-激光器二、测量单缝夫琅禾费衍射的相对光强分布1 打开光强仪的电源开关，启动计算机，运行CCD光强采集程序对衍射光强进行采集。如果采集到的曲线出现了“削顶”，则有两种可能：一是CCD器件饱和，说明信号光过强（注意：不是环境光过强），这时可以减小激光器的功率；二是软件中选项里的增益参数调得太大，应使之减小（一般置于增益为1）。一般的衍射花样是一种对称图形。但有时采集到的图形左右不对称，这主要是各光学元件的几何关系没有调好引起的。a)调节单缝的平面与激光束垂直。检查方法是，观察从缝上反射回来的衍射光，应在激光器出射孔附近；b)调节组合光栅架上的俯仰或水平调节手轮，使缝与光强仪采光窗的水平方向垂直（或调节光强仪）。图 5-16-5 单缝衍射图样2选取光栅片上的某个单缝图形，调节好光路并用工作软件获取正确的曲线。3测量数据点击“停止采集”，使待测量的曲线固定在屏幕上。用全局主视窗里的蓝色选择框选择要测量的曲线区域，在局部放大视窗里慢慢移动鼠标，在其下面的数据栏里读取衍射曲线上几个特殊点的X(ch)值、Y(A/D)值。用钢卷尺测量缝到CCD光敏面的垂直距离Z（注意CCD器件的光敏面至光强仪前面板距离为4.5mm）。【数据处理】1将测量数据填入表5-16-1。表 5-16-1 条纹极值位置与光强记录表空间位置X(ch值)X光强Y(A/D值)中央明纹一级暗纹一级亮纹二级暗纹二级亮纹三级暗纹2根据实验数据，计算各级明纹和暗纹的衍射角及相对光强，填入表5-16-2。与理论值相比较，作出误差分析。表5-16-2 实验测量与理论计算对比表实验值理论计算值相对光强相对光强中央明纹1一级暗纹0一级亮纹00472二级暗纹0二级亮纹00165三级暗纹0注：表中C是CCD器件的换算常数。【注意事项】1测量CCD器件至单缝的距离Z时，要考虑到CCD器件受光面在光强仪前面板后的距离；2如较高级次暗纹与较低级次暗纹的Y读数相差较大，说明尚未满足远场条件；如正方向与负方向暗纹的Y读数相差较大，说明单缝与CCD器件还没有调垂直；3测量相对光强比时，一定要用Y值减去多级暗纹Y值的平均值，不能直接用Y值相比较；4在本实验中，相对光强 = 各点的光强值Y / 中央明纹的光强值Y；5 = 待测点与中央明纹的X值之差X /