单缝衍射仪实验.doc

实验8 单缝衍射1 实验目的（1）观察夫琅禾费单缝衍射现象；（2）掌握单缝衍射光强分布特点与测量方法，并求出衍射角与相对光强度；（3）学会用衍射法测量微小量。2 实验仪器激光器，光具座，组合光栅片，LM501/601CCD光强分布仪测量仪，示波器3 仪器介绍图8-1 实验装置及距离参数图 图8-2 二维调节架及组合光栅片4 实验原理光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，所发生的偏离直线传播的现象。光的衍射也叫光的绕射，即光可绕过障碍物，传播到障碍物的几何阴影区域中，并在障碍物后的观察屏上呈现出光强的不均匀分布。我们把观察屏上的不均匀光强分布称为衍射图样。衍射现象分为菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射。菲涅耳衍射是近场衍射，夫琅禾费衍射是远场衍射，又称平行衍射。 如图8-3，将单色点光源S放置在透镜L1前焦面，经透镜后的光束成为平行光垂直照射在单缝AB上，按惠更斯菲涅耳原理，位于狭缝的波阵面上的每一点都可以看成为一个新的子波源，他们向各个方向发出球面波，这些子波相叠加经透镜L2后会聚，在L2的后焦面上形成明暗相间的衍射条纹，其光强分布规律为： （8-1）其中，a是单缝宽度，是衍射角，为入射光波长。图8-3 单缝衍射常叫做单缝衍射因子，表征衍射场内任一点相对强度的大小，如以为横坐标，以为纵横坐标，可得到衍射光强分布图，如图8-4所示，图8-4 衍射光强分布图参见图8-4及公式（8-1）可得到：1、当时，为中央极大的强度，光强度最强，绝大部分的光能都落在中央明纹上；2、当（）时，为第级暗纹。由于夫琅禾费衍射，很小，所以，因此暗纹出现的条件为： （8-2）3、从公式（8-2）可见，当时，为主极大两侧第一级暗条纹的衍射角，有此决定了中央明纹的宽度，其余各级明纹角宽度，所以中央明纹宽度是其它各级明纹宽度的二倍；4、除中央主级在外，相邻两暗纹之间存在着一些次极大，这些次极大的位置可以对（1）式求导并使之等于零而得到：级数k次极大时相对光强0.0470.0170.0085 实验内容（1）测量单缝夫琅禾费衍射的相对光强分布及衍射角；（2）观察单丝衍射图样，并用衍射法测量细丝直径；6 实验指导6.1 实验步骤（1）根据夫琅禾费衍射和观察条件，按照图1将激光器、组合光栅片和CCD光强分布仪放置好，用一根双Q9头的信号线连接示波器的信号输入端和CCD光强仪后面板上的“信号”插口，用另一根双Q9头的信号线连接示波器的同步触发端（外触发方式）和CCD光强仪后面板上的“同步”插口；（2）接通各部分的电源。调节激光器、CCD光强仪的左右上下位置使激光束通过光栅片上的单缝后射入CCD光强仪前端的采光窗口，从而射到CCD线阵上；（3）开始调节时，可先在CCD光强仪的采光窗前放一白纸，让衍射光斑射在白纸上，调节光路，直至衍射图案正确、清晰后再移走白纸，让光斑射入CCD光强仪前端的采光窗口， 由CCD线阵面接收；（4）最后调节示波器。在示波器上读出每个特殊点与中央主极大点的横向位置之差，以及此点的纵向高度（指示了光强）Y；并测量单缝到CCD光敏面的垂直距离Z；（5）把单缝换成单丝，重复上述第1，第2，第3步，从暗条纹出现条件公式（8-2）可知，暗条纹是以中央明纹为对称轴等间隔地左右对称分布的，任意两条暗纹间的宽度为。因此，我们可以向正或负方向将中央主级大移至采光窗外，减小减光器减光量或去掉减光器，让更高级次的暗纹出现在屏幕上。在示波器上读出每一条暗纹的X值，再计算出相邻暗纹间距的平均值。由衍射公式算得单丝直径： （8-3）6.2 注意事项（1）单缝与CCD光强仪之间的距离Z应尽满足远场条件（，a为缝宽）；（2）一般的衍射图样是一种对称图形，如果图形不对称，这主要是各光学元件的几何关系没有调节好。实验时，（a）应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束应在激光器出射孔附近；（b）调节单缝的平面与光强采光窗水平方向垂直，可以调节组合光栅俯仰和水平调节手轮或者调节光强仪上下左右方向；（3）调节光斑中心与CCD中心一致。实验中为了使CCD发挥最佳效率，减小实验误差，需仔细调节光斑中心与CCD光敏元中心一致，应尽量使光斑集中到CCD光敏区的中央位置，调节固定CCD的三维调节马鞍的升降旋钮，当CCD饱和了再降低激光器的功率，仔细调节使得激光器的功率小但CCD的相对光强为最大，即此时光斑中心与CCD光敏元的中心基本吻合；（4）如果采集到的曲线出现了“削顶”。则是CCD器件饱和，说明信号光过强，这时可以减小激光器的功率；7 实验数据处理7.1 数据记录表格表8-1单缝衍射相对强度分布表测量项目空间位置X（横向小格数 ）光强Y(纵向小格数)左右左右中央明纹一级暗纹一级亮纹二级暗纹二级亮纹三级暗纹7.2 数据处理表格根据实验数据，可计算出各级明纹和暗纹的衍射角和相对光强，并与理论值相比较，做出误差分析。表8-2 数据处理表格1测量项目左右中央明纹一级暗纹一级亮纹二级暗纹二级亮纹三级暗纹表8-3 数据处理表格2测量项目光强Y(纵向小格数)多级暗纹Y值的平均值左右中央明纹一级亮纹二级亮纹表8-4 数据处理表格3测量项目实验值相对光强中央明纹一级暗纹一级亮纹二级暗纹二级亮纹三级暗纹表8-5 测量细丝直径测量项目空间位置X(横向小格数)第1条暗纹第2条暗纹第3条暗纹第4条暗纹第5条暗纹第6条暗纹注意：（1）本实验中，相对光强=各级的光强值Y/中央明纹的光强值Y；（2）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；（3）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。8 预习思考题（1）什么是光的衍射？ （2）夫琅禾费衍射应满足什么条件？9 课后习题（1）高级次暗纹与较低级次暗纹