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