单缝衍射实验讲义.doc

光的衍射实验
实
验
说
明
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北京方式科技有限责任公司
光的衍射实验
衍射和干涉一样,也是波动的重要特征之一。波在传播过程中遇到障碍物时,能够绕过障碍物的边缘前进。这种偏离直线传播的现象称为波的衍射现象。波的衍射现象可以用惠更斯原理作定性说明,但不能解释光的衍射图样中光强的分布。菲涅耳发展了惠更斯原理,为衍射理论奠定了基础。菲涅耳假定:波在传播过程中,从同一波阵面上各点发出的子波,经传播而在空间相遇时,产生相干叠加。这个发展了的惠更斯原理称为惠更斯-菲涅耳原理
【实验目的】
;
,并测定其光强分布,加深对衍射理论的了解;
。
【实验仪器】
缝元件、光学实验导轨、半导体激光器、激光功率指示计、白屏、大一维位移架、十二档光探头。
【实验原理】
(一)产生夫琅禾费衍射的各种光路
夫琅禾费衍射的定义是:当光源S和接收屏S都距离衍射屏D无限远(或相当于无限远)时,在接收屏处由光源及衍射屏产生的衍射为夫琅禾费衍射。但是把S和S放在无限远,实验上是办不到的。在实验中常常借助于正透镜来实现,实际接收夫琅和费衍射的装置有下列四种。
(以单缝衍射为例来说明,下同)
a
f
s
L1
D
L2
S
q
P0
Pq
图1
把点光源S放在凸透镜L1的前焦点上,在凸透镜L2的后焦面上接收衍射场(图1)

在满足远场条件下,狭缝前后也可以不用透镜,而获得夫琅禾费衍射图样。远场条件是:①光源离狭缝很远,即,其中R为光源到狭缝的距离,a为狭缝的宽度;②接收屏离狭缝足够远,即,Z为狭缝与接收屏的距离。(至于观察点P,在的条件下,只要要求P满足傍轴条件。)图2为远场接收的光路,其中假定一束平行光垂直投射在衍射屏上。
图2
如图1所示,从光源S出发经透镜L1形成的平行光束垂直照射到缝宽为a的狭缝D上,根据惠更斯-菲涅耳原理,狭缝上各点都可看成是发射子波的新波源,子波在L2的后焦面上叠加形成一组明暗相间的条纹,中央条纹最亮亦最宽。
a
z
D
S
q
P0
Pq
图2
(二)夫琅禾费衍射图样的规律

实验中以半导体激光器作光源。由于激光束具有良好的方向性,平行度很高,因而可省去准直透镜L1。并且,若使观察屏远离狭缝,缝的宽度远远小于缝到屏的距离(即满足远场条件),则透镜L2也可省略。简化后的光路如图3所示。实验证明,当Z约等于100cm,a约等于8´10-3cm时,便可以得到比较满意的衍射花样。
图3中,设屏幕上P0(P0位于光轴上)处是中央亮条纹的中心,其光强为I0,屏幕上与光轴成q角(q在光轴上方为正,下方为负)的Pq处的光强为Iq,则理论计算得出:
z
a
D
S
q
P0
Pq
图3
(1)
其中
式中q为衍射角,l为单色光的波长,a为狭缝宽度,由式(1)可以得到:
当即()时,,光强最大,称为中央主极大。在其他条件不变的情况下,此光强最大值I0与狭缝宽度a的平方成正比。
当时(k=±1, ±2, ±3),,出现暗条纹。在q很小时,可以用q代替sinq。因此,暗纹出现在的方向上。显然,主极大两侧两暗