光强分布的测量.doc

实验621 光强分布的测量实验目的 观察衍射、干涉、偏振光等现象。 测量衍射、干涉、偏振光等的光强分布。 验证马吕斯定律。实验原理图1 夫琅禾费单缝衍射光路图光的衍射现象是光的波动性的重要表现。根据光源及观察衍射图象的屏幕（衍射屏）到产生衍射的障碍物的距离不同，分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两种，前者是光源和衍射屏到衍射物的距离为有限远时的衍射，即所谓近场衍射；后者则为无限远时的衍射，即所谓远场衍射。要实现夫琅禾费衍射，必须保证光源至单缝的距离和单缝到衍射屏的距离均为无限远（或相当于无限远），即要求照射到单缝上的入射光、衍射光都为平行光，屏应放到相当远处，在实验中只用两个透镜即可达到此要求。实验光路如图1所示，与狭缝E垂直的衍射光束会聚于屏上P0处，是中央明纹的中心，光强最大，设为I0，与光轴方向成角的衍射光束会聚于屏上PA处，PA的光强由计算可得： （1）图2 夫琅禾费单缝衍射的简化装置式中，b为狭缝的宽度，为单色光的波长，为衍射角，当=0时，I=I0，这就是平行于光轴的光汇聚处，即中央亮条纹的中心点的光强，是衍射图样中光强的极大值，称为中央主极大，主极大的强度决定于光的强度和缝的宽度。当=K，即：（2）时，I=0，出现暗条纹，与此衍射角对应的位置为暗条纹中心。用氦氖激光器作光源，则由于激光束的方向性好，能量集中，且缝的宽度b一般很小，这样就可以不用透镜L1，若观察屏（接受器）距离狭缝也较远（即D远大于b）则透镜L2也可以不用，这样夫琅禾费单缝衍射装置就简化为图2，这时， （3）由（2）、（3）二式可得图4 小孔狭缝板单缝F1:a= 0.1，F2:a=0.2，F3:a=0.3单丝S1:a= 0.1，S2:a= 0.2，S3:a= 0.3小孔XK1:= 0.2，XK2:= 0.3，XK3:= 0.4小屏XP1:= 0.2，XP2:= 0.3，XP3:= 0.4 （4）由以上可见： 中央亮条纹的宽度被k=1的两个暗条纹的衍射角所确定，即中央条纹的角宽度为： （5）衍射角与缝宽b成反比关系，缝宽加宽时，衍射角减小，各级条纹向中央收缩。当缝宽b足够大时（b），衍射现象就不显著了，以致可以忽略，从而可将光看作沿直线传播。对应任何两相邻暗条纹，其衍射角的夹角为=/b，即暗条纹是以P0点为中心等间隔、左右对称分布的。除了主极大之外，两相邻暗纹之间都有一个次极大，他们的宽度是中央亮条纹宽度的二分之一，由数学计算可得出这些次极大的位置在=1.43，2.46，3.47，这些次极大的相对光强I/I0依次为0.047，0.017，0.008，夫琅禾费衍射的光强分布如图3所示。图3夫琅禾费单缝衍射的光强分布图5 光栅板正交光栅：GS1，纵横均为50条/mm；光栅：GS2，50条/mm；双孔：= 0.2，SK1，d=0.25；SK2，d=0.32；SK3，d=0.4；矩孔：JK，a= 0.12，b=0.2；单缝；DF1，a= 0.08；双缝：SF1，a= 0.08，d= 0.16；SF2，a= 0.08，d=0.20；SF3，a=0.06，d= 0.10；多缝：DF1，4缝，a= 0.06，d=0.14；DF2，9缝，a= 0.06，d= 0.19实验仪器WGZ-II型光强分布测试仪用硅光电池作光电转换元件，数字式检流计测量光电转换后的光电流值，其性能稳定，操作简便，读数准确直观。仪器包含激光器座、半导体激光器、导轨、二维调节架、一维光强测试装置、分划板（规格见图4和图5）、可调狭缝（01mm连续可调）、平行光管、起偏检偏装置、光电探头 、小孔屏、 数字式检流计、专用测量线等。按测量一维光强分布和测量偏振光光强分布两种方式可构成两种装置，分别见图6和图7。实验内容实验用光电转换元件为硅光电池，数字式检流计测量光电转换后的光电流值，为了实现光强分布的逐点测量，在光电池表面处装一狭缝光阑，用以控制光电池的受光面积，硅光电池和光阑安装在可以沿屏方向移动的测量装置上，其位置由测量装置准确读出。1、WJF型数字式检流计的调节WJF型数字式检流计用于微电流的测量，其正面如图8所示，使用时按以下步骤进行： 接上电源（要求交流稳压220V11V，频率50HZ输出），开机预热15分钟； 量程选择开关置于“1”档，衰减旋钮置于校准位置（即顺时针转到头，置于灵敏度最高位置），调节调零旋钮，使数据显示为.000（负号闪烁）；图6 衍射、干涉等一维光强分布的测试1、激光电源2、激光器3、单双缝等二维调节架4、小孔屏5、导轨6、光电探头7、一维光强测量装置8、数字检流计 选择适当量程，接上测量线（线芯接负端，屏蔽层接正端，若反会显示“”），即可测量微电流； 如果被测信号大于该档量程，仪器会有超量程指示，即数码管显示“”或“E”，其他三位均显示“9”，此时可调高一档量程（当信号大于最高量程，即210-4A时，应换用其他仪表测量）； 当数字显示小于190，小数点不在第一位时，一般应将量程减小一档，以充分利用仪器的分辨率； 衰减旋钮用于测量相对值，只有在旋钮置于校准位置（顺时针到底）时，数显窗才指示标准电流值； 测量过程中，需要将某数值保留下来时，可开保持开关（指示灯亮），此时，无论被测信号如何变化，前一数值保持不变。2、衍射、干涉等一维光强分布的测试图7 测量偏振光光强1、激光电源 2、激光器 3、扩束镜及平行光管4、起偏检偏装置 5、光电探头 6 、数字检流计 按图6搭好实验装置。此前应将激光管装入仪器的激光器座上，并接好电源； 打开激光器，用小孔屏调整光路，使出射的激光束与导轨平行； 打开检流计电源，预热及调零，并将测量线连接其输入孔与光电探头； 调节二维调节架，选择所需要的单缝、双缝、可调狭缝等，对准激光束中心，使之在小孔屏上形成良好的衍射光斑； 移去小孔屏，调整一维光强测量装置，使光电探头中心与激光束高低一致，移动方向与激光束垂直，起始位置适当； 开始测量，转动手轮，使光电探头沿衍射图样展开方向（x轴）单向平移，以等间隔的位移（如0.5mm或1mm等）对衍射图样的光强进行逐点测量，记录位置坐标x和对应的检流计（置适当量程）所指示的光电流值读数I，要特别注意衍射光强的极大值和极小值所对应的坐标的测量； 绘制衍射光的相对强度I/I0与位置坐标x的关系曲线。由于光的强度与检流计所指示的电流读数成正比，因此可用检流计的光电流的相对强度i/i0代替衍射光的相对强度I/I0。3、测量单缝的宽度 测量单缝到光电池的距离D，用卷尺测取相应移动座间的距离即可； 从单缝衍射光强的分布曲线可得各级衍射暗条纹到明条纹中心的距离xk，求出同级距离xk的平均值xk，将xk和D值代入公式（3）计算曲线上各级暗条纹所对应的衍射角k。 将xk和D值代入公式（4）计算相应的单缝宽度b，用不同级数的结果计算平均值。 将各次极大相对光强与理论值进行比较，分析产生误差的原因。4、观察偏振光现象 按图7搭好实验装置，打开检流计，预热及调零； 打开激光电源，调好光路，使在平行光管后的小孔屏上可见一较均匀圆光斑； 旋去光电探头前的遮光筒，把探头旋接在起检偏装置上，然后连好测量线； 将起偏检偏器置于平行光管后并紧帖平行光管，使光斑完全入射起检偏器； 置起偏器读数鼓轮于“0”位置，开始测量。转动分度盘（连检偏器）20或40，从检流计（置适当量程）上读取一个数值，逐点记录下来，测量一周； 用方格纸或坐标纸将记录下来的数值描述出来就是偏振光实验的光强变化图；图8 WJF数字式检流计1、数字显示窗，2、量程选择，3、衰减旋钮，4、电源开关，5、保持开关，6、调零旋钮，7、模拟输出孔，8、信号输入口检流计的测量范围为110-101.99910-4A，测量误差为1个字，分为四挡。第1档：0.0011.99910-7A，内阻10；第2档：0.0119.9910-7A，内阻1；第3档：0.1199.910-7A，内阻0.1；第4档：1199910-7A，内阻0.01。 在转动刻度盘（连起偏器）一周的过程中，可找到两个位置，在检流计上的读数为0时，出射光强为零，此现象为消光现象，但因为杂散光或偏振片不完全理想等因素，无法得到完全的消光效果，一般情况下，可在检流计上读出接近于零的最小读数。正常时，起、检偏器的夹角为90或270。5、验证马吕斯定律 当两偏振片相对转动时，透射光强就随着两偏振片的透光轴的夹角而改变。如果是理想偏振片，当它们的透光轴互相垂直时，投射光强应为零；当夹角为其他值时，透射光强I为: （6）式中I0是两光轴平行（=0）时的透射光强。（6）式称为马吕斯定律。 按照上一步骤记录下来的起偏器不同位置（即起、检偏器的夹角不同时）的光电流值进行计算，应基本符合马吕斯定律。6、观察其他衍射、干涉现象按此前所述单缝衍射实验的步骤做好实验准备，调好光路，通过调换仪