实验单缝衍射光强分布研究

实验三缝衍射光强分布研究一、实验介绍光的衍射现象是光波动性的表现。 深入阐述了衍射现象的存在，光子的运动受到测量不准确关系的制约。 因此，研究光衍射不仅有助于加深对光本性的理解，也是现代光学技术(如光谱分析、晶体分析、全息分析、光学信息处理等)的实验基础。 利用光电传感器元件来检测光强度的相对变化，衍射光强度的空间再分布是现代技术中常用的光强度测量方法之一。二、实验目的1 .观察单缝衍射现象，研究其光强分布，加深对衍射理论的理解2 .应用光电元件测量单缝衍射的相对光强度分布，并掌握其分布规律3 .学习用衍射法测量狭缝的宽度。三、实验原理1 .单缝衍射的光强度分布光传播过程中通过障碍物时，不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等光的一部分会传播到几何影子中，产生衍射现象。 障碍物大小接近波长时，这种衍射现象比较容易观察。单缝衍射包括两种类型的另一种是夫琅和费衍射：一种是菲涅耳衍射，单缝距离光源和接收屏幕都远离光源和接收屏幕，或者入射波和衍射波是球面波，单缝距离光源和接收屏幕相当于无穷远或无穷远用散射角极小的激光(0.002rad )产生激光束，通过狭缝(0.10.3mm宽)，在狭缝后面放置0.5m以上的屏幕，可以看到衍射条纹，实际上是夫琅和费衍射条纹。图1激光照射到单狭缝上时，根据菲林菲涅耳的原理，单狭缝上的所有点都可以看作向所有方向发射球面波的新波源。 小波叠加的结果是，在屏幕上可以得到与1个狭缝平行的明暗条纹。激光方向性强，可视为平行光束。 对于宽度为单狭缝的夫琅和费衍射图案，其衍射光路图满足近似条件出现暗条纹的条件如下：(1)暗条纹的中心位置如下：(2)相邻的两条暗线之间的中心是照明纹理次数极大的中心。 从理论计算获得的、垂直入射在单个狭缝平面上的平行光被单个狭缝衍射之后的光强分布规律如下(3)式中，狭缝宽度、波长、从单狭缝位置到光电池位置的距离、从衍射条纹的中心位置到测量点的距离、其光强分布如图2所示。 同样，即使在相同的情况下，由于光强度相同，从屏幕上获得的光强度相同的图案是平行于狭缝的条纹。 当时图2在整个衍射图形中，这里光强最强，称为中央主极大的中央亮纹最亮，最宽，其宽度是其他各级亮纹宽度的两倍。当时，实时在这些地方是暗条纹。 暗条纹以光轴为对称轴呈等间隔、左右对称的分布。 中央明亮条纹的宽度由两条暗条纹的间隔决定。一级暗条纹的位置与狭缝宽度成反比，较大、较小，各级衍射条纹向中央收缩并在一定程度上变宽，衍射现象就变得不明显，只有中央能看到明亮的线，光线才能沿几何学的直线传播下一个极大明纹和中央明纹相对光强度分别如下(4)2 .衍射损伤幅度的测量根据以上分析，如果知道光的波长，则单缝宽度计算式(5)因此，如果测量第二阶段的暗条纹的位置，就能够通过光的衍射测量狭缝的宽度。 类似地，如果已知单个狭缝的宽度，则可以测量未知光的波长。3 .光电检测光的衍射现象是光波动性的表现。 研究光衍射现象不仅有助于了解光的本质，而且为进一步学习现代光学技术奠定了基础。 衍射是空间再分布光强，利用光电器件测量光强相对变化的方法之一，也是光学精密测量的常用方法。将硅光电池和一维光强测量装置放置在小孔屏幕的位置时，与数字电流测量仪(也称为点电流测量仪)连接的硅光电池能够向衍射展开方向移动时，数字电流测量仪所示的光电流的大小与落入硅光电池的光强度成比例，实验装置如图3所示。 根据硅光电池的光电特性，光电流与入射光能成比例，如果工作电压不小，光电流与工作电压无关，光电特性呈线性关系。 在由光电池和数字电流计构成的电路内电阻一定的情况下，光电流的相对强度直接表示光的相对强度。由于硅光电池的受光面积大，实际需要测量各点位置的光强度，因此在硅光电池前设置狭缝光栅(0.5mm )，控制受光面积，将硅光电池安装在带螺旋微装置的台座上，可以横向移动，改变衍射角图3四、实验器具衍射光强度实验系统：单色光源：激光； 衍射元件：可调整的单缝隙、多缝隙板、多孔板、格子受光元件：光传感器、光电流放大器、白屏光具座：1m硬铝导轨。二维调节滑动基座这是具有用于光具座的特殊装置的滑动座，4个旋钮在两侧并列，在其一侧有3个，调节上方的光学部件(例如狭缝)的垂直平面内的旋转角，使部件垂直，用于中央的横向调节。 要锁定滑动基座在导轨上的位置，请执行以下步骤：移动测量仪器主要机构有百分滚筒控制精密螺纹，往复移动一个可调节的缝隙，针对尺寸指示缝隙的位置，在缝隙前后分别安装进光管和光电探头的圆筒套筒。 转筒旋转1圈，狭缝移动1mm，转筒旋转1格，狭缝(每个光探头)只移动0.01mm。光传感器主要采用硅光电检测器进行相对光强测量，波长范围为200-1050nm。数字光电放大器通过连接器(航空插头)与光传感器连接，可在测量相对光强度的相关实验中使用。 该仪器操作简单，前面板除数字显示窗和开关外，只设有一个增益调整旋钮。 在高光强度超过增益调整范围而溢出的情况下(窗口显示“1”)，可适当减小增益或减小狭缝宽度，返回通常的显示。五、实验内容和程序如图4所示安装了各实验装置。 打开光电流放大器，预热10-20分钟。1-激光、2-单缝、3-光导、4-节流孔、5-光探头、6-1维测量装置、7-数字电流计(一)准备工作；以一维测定器上光探头的轴线为基准，调节光学系统的各光学元件的同轴度等.1、旋转测量仪器上的百分之一圈，将光探头调整到适当的位置2 .调整激光水平(1)将移动光靶放入有横向调节装置的普通滑动基座中。 移动光标，使光标平面与测量仪的入光口平行。 通过横向调节装置，将目标中心对准光电探头的光入射口的中心(2)打开激光器的电源，沿着导轨前后移动光标，调节激光器支架的6个方向，使光点始终对准靶的中心3 .拆下光标，安装白板将狭缝放入带横向调节装置的滑动底座中，调整狭缝的同轴度。 同时将狭缝固定在距离光传感器850mm左右(注：光传感器的受光面距导轨上刻度尺有一定距离，刻度尺的读取值加上约60mm )。(2)观察衍射图案白屏放在光传感器前，观察衍射图案。 根据衍射斑的情况，适当调节缝隙宽度。 衍射图案清晰，各级距离适中，测量方便。(3)测量1 .拆下白屏，打开光电流放大器的电源旋转百分鼓，横向微动测量仪，使衍射中央主要进入光传感器的受光口，一边左右移动一边观察数值。 数字显示值为1表示光能过强(1)逆时针调节光电流放大器的增益，建议提示值为1500左右(2)调节光传感器侧面的微芯片，减小从入射面到受光面的能量注意：一旦确定了狭缝的宽度，就无法在数据测量的全过程中进行变更2 .用垂直尺寸、鼓上的读取值和光电流放大器的数字来表示，记录光学探头的位置和相对光强的数值3 .在比中央主稍微小的极大点开始数据的记录选择任意的单向旋转滚筒，每旋转0.1mm (滚筒上的10块)，记录数据，直到测量出0-2级极大和1-3级极小。注意：开始读取之前，请在开始读取之前，先向所选的单向旋转几圈。附属：激光功率输出和光传感器的电流输出稍有变动，是正常现象。 使用前可能预热10-20min比较好。 实际上，如果接收装置的显示值的偏差小于10%，则对衍射图案的描绘没有大的影响。六、实验数据的记录和数据处理1 .数据记录表()坐标相对强度坐标相对强度坐标相对强度坐标相对强度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 .数据处理1 )根据测定的数据描绘相对强度和从被测定点到中央水平的距离的函数关系曲线2 )从图表中找到极大值和极小值的位置以及与各极大值对应的光强度值，并表示项目极大值极小值级数012123坐标位置46.2550.5553.649.3552.2555.15相对强度186478341514141-3级暗条纹与中央主的极大距离从缝隙测量值、式可以得到1-3级的暗条纹和中央主极大的距离的计算值1-3级暗条纹与中央主极大距离的测定值：1-3级暗条纹与中央主极大间距离的误差率比：1-2级亮条纹与中央主极大的相对光强比1-2级亮条纹与中央主极大间相对光强度比的测定值：1-2级亮条纹与中央主极大间相对光强比的理论值：1-2级亮条纹与中央主极大间相对光强度比的误差率如下3 )计算狭缝宽度一级暗条纹与中央主极大距离的测定值能够根据式子得到狭缝宽度的计算值狭缝测量值中，狭缝宽度的误差率如下所示实验性思维问题1、激光输出的光强变动对单缝衍射图形和光强分布曲线有影响吗？ 对具体的说明有什么影响？答案：(1)不影响单缝衍射图案。 因为如果是这样的话。 与、相同时，无论光强度如何，各类条纹的位置都不变，衍射图案不变。(2)影响光强