光衍射相对光强分布的测量.docx

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光衍射相对光强分布的测量

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光衍射相对光强分布的测量:

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图一光衍射相对光强分布的测量实验装置全图来源上海交通大学物理实验中心

光的衍射现象是光的波动性的一种表现，它说明了光的直线传播规律只是衍射现象不显著时的近似结果。

衍射现象的存在，深刻地反映了光子（或电子等其他微观粒子）的运动是受测不准关系制约的。

因此研究光的衍射，不仅有助于加深对光的本性的理解，也是近代光学技术（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。

衍射实验导致了光强在空间的重新分布，利用光电传感元件测量和探测光强的相对变化，是近代技术中常用的光强测量方法之一。

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实验预习:

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实验目的

1．掌握在光学平台上组装、调整光的衍射实验光路；

2．观察不同衍射元件产生的衍射，归纳总结单缝衍射现象的规律和特点；

3．学习利用光电元件测量相对光强的实验方法，研究单缝和双峰衍射中相对光强的分布规律；

4．学习微机自动控制测衍射光强分布谱和相关参数。

实验原理

1．衍射光强分布谱

衍射现象分两大类：

夫琅和费衍射（远场）和菲涅耳衍射（近场）。

本实验仅研究夫琅和费衍射。

夫琅和费衍射要求光源和接受衍射图像的屏幕远离衍射物（如单缝等），即入射光和衍射光都是平行光。

夫琅和费衍射光路见图1，其中，S是波长为l的单色光源，置于透镜L1的焦平面上时，单色光经L1后形成平行光束投射到缝宽为a的单缝上，通过狭缝后的衍射光经透镜L2会聚在其后焦平面处的屏P上，屏上将呈现出亮暗相间按一定规律分布的衍射图样。

由惠更斯——菲涅耳原理可知，单缝衍射的光强分布公式为

（1）

式中：

a为单缝的宽度，I0为入射光光强，j为衍射光与光轴的夹角—衍射角。

在衍射角j时，观察点的光强Ij值与光波波长l和单缝宽度a相关。

[sin（u）/u]2常称为单缝衍射因子，表征衍射光场内任一点相对光e强（Ij/I0）的大小。

若以sinj为横坐标，（Ij/I0）为纵坐标，可得到单缝衍射光强的分布谱（如图2所示）。

当j=0时，

Ij=I0

（2）

这是平行于光轴的光线会聚处——中央亮条纹中心点的光强，是衍射图像中光强的极大值，称为中央主极大。

当asinj=kl，k=±1，±2，±3，……（3）

则u=kπ,Ij=0,即为暗条纹。

与此衍射角对应的位置为暗条纹的中心。

实际上j角很小，因此上式可改写成

（4）

由图1也可看出，k级暗条纹对应的衍射角

（5）

故

（6）

由以上讨论可知

（1）中央亮条纹的宽度被k=±1的两暗条纹的衍射角所确定，即中央亮条纹的角宽度为

。

（2）衍射角j与缝宽a成反比，缝加宽时，衍射角减小，各级条纹向中央收缩；当缝宽a足够大时（a>>l）。

衍射现象就不显著，以致可略去不计，从而可将光看成是沿直线传播的。

（3）对应任意两相邻暗条纹，其衍射光线的夹角为

，即暗条纹是以点P0为中心、等间隔、左右对称地分布的。

（4）位于两相邻暗条纹之间的是各级亮条纹，它们的宽度是中央亮条纹宽度的1/2。

这些亮条纹的光强最大值称为次极大。

用衍射角表示这些次极大的位置分别为

（7）

与它们相应的相对光强度分别为

（8）

实验内容

1、用读数显微镜读取狭缝的宽度。

读取三组数据：

初刻度（mm）

末刻度（mm）

狭缝宽度（mm）

狭缝宽度取平均值为：

在使用读数显微镜时注意消除空程误差，因此在测量时，不要反复来回移动鼓轮，应该在靠近狭缝的一边时缓慢移动，同一组始末刻度的读取，鼓轮应该沿一个方向。

2、  单缝衍射亮暗条纹位置及强度。

次极强和主极强的条纹的位置及强度见打印的图表由上角。

下表是暗条纹的位置及强度

K（级数）

位置（mm）

相对强度

平均相对强度：

理论上来说暗条纹的强度为0，而我们看到实际上不是，还有一些杂散光。

因此要测量暗条纹，在计算次级强与主级强的强度比时减去这个本底值，

而且中央亮条纹的宽度被k=±1的两暗条纹的衍射角所确定，即中央亮条纹的角宽度为

。

根据此公式我们能只要求出

便可求出狭缝宽度。

3、计算狭缝宽度并与读数显微镜读出的狭缝宽度进行比较；

4、计算次极强与主极强的强度比；

注意事项

1．实验操作前，请仔细阅读实验室提供的微机使用方法参考资料，严格按照规范要求，依次逐步进行操作。

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实验仪器:

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图1　光衍射光强记录仪

来源上海交通大学物理实验中心

（a）

图2　光衍射相对光强计算机自动测试系统，两种光路配置

来源上海交通大学物理实验中心

QJHP-26型He-Ne激光器

图3 QJHP-26型He-Ne激光器

来源上海交通大学物理实验中心

光学可调磁性座、多缝板、平面反射镜

图4 光学可调磁性座、多缝板、平面反射镜

来源上海交通大学物理实验中心

衍射光强自动记录仪

图5衍射光强自动记录仪

来源上海交通大学物理实验中心

读数显微镜

图6 读数显微镜