衍射光强实验报告.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-slitdiffraction]有两种:一种是菲涅耳衍射[Fresneldiffraction],单缝距离光源和接收屏[receivingscreen]均为有限远[nearfield],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[Fraunhoferdiffraction],单缝距离光源和接收屏均为无限远[farfield]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[scatteringangle]极小的激光器(<)产生激光束[laserbeam],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-Fresnelprinciple],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[darkfringes]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[centerofbrightfringes]。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[intensitydistributionoflight]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[centralmainmaximum];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[secondarymaximum]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光电图3池和一维光强读数装置,与数字检流计(也称光点检流计)相连的硅光电池可沿衍射展开方向移动,那么数字检流计所显示出来的光电流的大小就与落在硅光电池上的光强成正比,实验装置如图3所示。根据硅光电池的光电特性可知,光电流和入射光能量成正比,只要工作电压不太小,光电流和工作电压无关,光电特性是线性关系。所以当光电池与数字检流计构成的回路电阻恒定时,光电流的相对强