衍射光强实验教案.doc

单缝衍射光强分布研究
教学目的 1、观察单缝衍射现象,加深对衍射理论的理解;
2、学会使用衍射光强实验系统,并能用其测定单缝衍射的光强分布;
3、形成实事求是的科学态度和严谨、细致的工作作风。
重点:SGS-3型衍射光强实验系统的调整和使用
难点:1)激光光线与光电仪接收管共轴调节;2)光传感器增益度的正确调整
讲授、讨论、实验演示相结合
3学时
一、实验简介
光的衍射现象是光的波动性的一种表现。衍射现象的存在,深刻说明了光子的运动
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。
衍射导致光强在空间的重新分布,利用光电传感元件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。
二、实验目的
1、学会SGS-3型衍射光强实验系统的调整和使用方法;
2、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;
3、学会用光电元件测量单缝衍射的相对光强分布,掌握其分布规律;
4、学会用衍射法测量狭缝的宽度。
三、实验原理
1、单缝衍射的光强分布
当光在传播过程中经过障碍物时,如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等,
一部分光会传播到几何阴影中去,产生衍射现象。如果障碍物的尺寸与波长相近,那么
这样的衍射现象就比较容易观察到。
单缝衍射[single-slit diffraction]有两种:一种是菲涅耳衍射[Fresnel diffraction],单
缝距离光源和接收屏[receiving screen]均为有限远[near field],或者说入射波和衍射波都
是球面波;另一种是夫琅禾费衍射[Fraunhofer diffraction],单缝距离光源和接收屏均为
无限远[far field]或相当于无限远,即入射波和衍射波都可看作是平面波。
图1
在用散射角[scattering angle]极小的激
光器(<)产生激光束[laser beam],
通过一条很细的狭缝(~),
,
就可以看到衍射条纹,它实际上就是夫琅
禾费衍射条纹,如图1所示。
当激光照射在单缝上时,根据惠更斯—菲涅耳原理[Huygens-Fresnel principle],单
缝上每一点都可看成是向各个方向发射球面子波的新波源。由于子波迭加的结果,在屏
上可以得到一组平行于单缝的明暗相间的条纹。
激光的方向性强,可视为平行光束。宽度为的单缝产生的夫琅禾费衍射图样
[pattern],其衍射光路图满足近似条件:

产生暗条纹[dark fringes]的条件是:
(1)
暗条纹的中心位置为:
(2)
两相邻暗纹之间的中心是明纹次极大的中心[center of bright fringes]。
由理论计算可得,垂直入射于单缝平面的平行光经单缝衍射后光强分布[intensity
distribution of light]的规律为:
(3)

图2
式中,是狭缝宽[width],是波长[wavelength],
是单缝位置到光电池[photocelll] 位置的距离,是从
衍射条纹的中心位置到测量点之间的距离,其光强分布
如图2所示。
当相同,即相同时,光强相同,所以在屏上得
到的光强相同的图样是平行于狭缝的条纹。当时,
,,在整个衍射图样中,此处光强最强,称为中央主极大[central main
maximum];中央明纹最亮、最宽,它的宽度为其他各级明纹宽度的两倍。
当,即时,,在这些地方为暗条纹。暗条纹是
以光轴为对称轴,呈等间隔、左右对称的分布。中央亮条纹的宽度可用的两
条暗条纹间的间距确定,;某一级暗条纹的位置与缝宽成反比,大,
小,各级衍射条纹向中央收缩;当宽到一定程度,衍射现象便不再明显,只能看到中
央位置有一条亮线,这时可以认为光线是沿几何直线传播的。
次极大[secondary maximum]明纹与中央明纹的相对光强分别为:
(4)
2、衍射障碍宽度的测量
由以上分析,如已知光波长,可得单缝的宽度计算公式为
(5)
因此,如果测到了第级暗条纹的位置,用光的衍射可以测量细缝的宽度。同
理,如已知单缝的宽度,可以测量未知的光波长。
3、光电检测
光的衍射现象是光的波动性的一种表现。研究光的衍射现象不仅有助于加深对光
本质的理解,而且能为进一步学好近代光学技术打下基础。衍射使光强在空间重新分布,
利用光电元件测量光强的相对变化,是测量光强的方法之一,也是光学精密测量的常用
方法。
当在小孔屏位置处放上硅