光強分布測試儀講義

衍射光強分布實驗一、實驗目的1、 觀察單縫衍射現(xiàn)象，歸納總結衍射現(xiàn)象的規(guī)律和特點。2、 測量單縫衍射相對光強分布和衍射角、縫寬等物理量。二、儀器設備半導體激光器，光具座，可調(diào)狹縫，光電探頭，數(shù)字檢流計等。三、實驗原理光的衍射現(xiàn)象是光的波動性的一種表現(xiàn)，可分為菲涅耳衍射和夫瑯和費衍射兩類，菲涅耳衍射是近場衍射，夫瑯和費衍射是遠場衍射。產(chǎn)生夫瑯和費衍射的條件，是光源和顯示衍射圖象的屏離衍射物（例如單縫）的距離要求視為無限遠，即入射光和衍射光都是平行光。其實驗光路如圖所示，其犧是波長液的單色光源，被放在透鏡的焦面上，單色光經(jīng)透鏡后，形成一束平行光，垂直照射在單縫上，通過單縫后的衍射光經(jīng)透鏡L會聚在其焦面（屏）上，于是在屏上呈現(xiàn)出明暗相間的衍射條紋。PSPS圖1單縫衍射實驗原理圖由惠更斯?菲涅耳原理可推得，單縫衍射圖象的光強分布規(guī)律為兀asin01）sin2p兀asin01）0p2式中a為單縫的寬度，為衍射光與入射光間夾角 衍射角為入射光波長，由公式1）可知：1、當0=0時，I二10，這就是與光軸平行的光線會聚點（中央明條紋的中心^點處）的光強，是衍射圖象中光強的極大值，稱為中央主極大。

2、當asin0=k九（k=+1,+2…）時貝4=k兀,I二0即為暗條紋，與此衍射

對應的位置為暗條紋的中心，實際J角很小，禪Qsn0，因此暗紋出現(xiàn)的條件為單縫衍射光強分布根據(jù)G）式，作I/10~sin0圖，可得圖2所示單縫衍射的相對光強分布曲線，通過分析，我們可知單縫衍射有如下幾個特點：1、 中央明條紋的寬度由=±1的兩個暗條紋的衍射角所確定，即中央明條紋的角寬度為A0=2V'a，其余各級明條紋角寬度0=九飛，所以中央明條紋寬度是其他各級明條紋寬度的倍。2、 衍射角）與縫寬a成反比，縫加寬時，衍射角減小，各級條紋向中央收縮。當縫寬足夠大（a>>九）時，衍射現(xiàn)象不明顯，從而可以忽略不計，將光看成是沿直線傳播的。因角0很小，可算得狹縫的寬度為3、 對于任意兩條相鄰暗條紋其衍射角的差值為0=V'a，即暗條紋是UP點為中心等間隔地向左右對稱地分布的。4、 位于兩相鄰暗條紋之間的是各級明條紋它，們的寬度是中央明條紋寬度的一半這，些明條紋的光強最大值稱為次極大。通過計算這些次極大的位置如用衍射角表示分別為0=±143號、±2.46/、±3.47y…… （4）它們的相對光強分別為I/10 0.047、0.017、0.008,…… ⑸四、實驗內(nèi)容1、觀察單縫衍射現(xiàn)象（1）按夫瑯和費衍射的要求，在光具座上布置和調(diào)整各光學元件，調(diào)節(jié)激光器、狹縫、光電探頭等高共軸。（2）打開激光器，用小孔屏調(diào)整光路，使出射的激光束與導軌平行。（3）打開檢流計電源，預熱及調(diào)零，并將測量線連接其輸入孔與光電探頭。注意：1.接上電源，開機預熱15分鐘；選擇開關置于“1”檔，衰減旋扭置于校準位（置即順時針轉到頭，置于靈敏度最高位置），調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，使數(shù)據(jù)顯示為零；測量信號大于該檔量程儀器會有超量程指示即數(shù)碼管顯示或“E”,其它三位均顯示“9”，此時可調(diào)高一檔量程；（4）調(diào)節(jié)單縫，對準激光束中心，使之在小孔屏上形成衍射光斑。（5）調(diào)節(jié)單縫的寬度，使它由寬變窄，再由窄變寬，重復數(shù)次，觀察在調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和變化情況，例如屏上呈現(xiàn)的光斑如何變化？當屏上出現(xiàn)可分辨的衍射條紋時，單縫的寬度約為多少？繼續(xù)減小縫寬時，衍射圖象如何變化（是收縮還是擴展）？調(diào)節(jié)縫寬使呈現(xiàn)出清晰的衍射圖象，比較各級明條紋的寬度以及它們亮度分布情況。2、測量單縫衍射的相對光強分布（1）移去小孔屏，調(diào)整光電探頭中心與激光束高低一致移，動方向與激光束垂直其，始位置適當；開始測量，轉動手輪，使光電探頭沿衍射圖象展開方軸）（單向平移，以等間隔的位移（如0.5mm或1mm等）對衍射圖象的光強進行逐點測量記錄位置坐和對應的檢流計所指示的光電流值讀數(shù)要特別注意E錄衍射光強的極大值和極小彳值所應的坐標。（2）在光具座上測出狹縫到光電池的距離由公式3）和（4）算出狹縫的寬度。（3）由于激光衍射所產(chǎn)生的散班效應，光電流值顯示將在實際值1的0%約范圍內(nèi)上下波動，屬于正常現(xiàn)象實驗中可根據(jù)判斷選一中間由于一般相鄰兩個測量點如間隔15mm時）的光電流值相差一個數(shù)量級，故該波動一般不影響測量。［注意事項］1、不要在強光、潮濕、震動較大的場合使用，以免影響測量精度。2、使用完畢，應將兩塊分劃板及可調(diào)狹縫包藏好，以免受污、受損。3、導軌應經(jīng)常保持潤滑，定期上油。4、光電探頭使用完畢后應受妥放置于較暗避處免，光電池長時間暴露于強光下加速老化。五、數(shù)據(jù)記錄及處理1、測量單縫衍射圖象的相對光強分布繪制衍射光的相對強叫與位置坐標X的關系曲線。由于光的強度與檢流計所指示的電流讀數(shù)成正比因此可用檢流計的光電流的相對強度代替衍射光的相對強度匕即相對光強分布曲線。2、 從分布曲線可得各光強極小值其中測出第一級衍射暗條紋的位置同時將測得的距離L值代入3）式，計算相應的單縫寬度，并與標準值相比較得出其相對誤差。3、 由光強分布曲線確定各級明條紋光強次極大的位置因分別利4）用式（計算出單縫寬度，并與標準值相比較得出其相對誤差。4、 由光強分布曲線確定各級明條紋光強次極大的相對光強，分5別）與式（所列的理論值比較。六、思考題1、 使狹縫的寬度變大或變小，衍射圖象分別會有什么變化？2、 如果測出的衍射光強分布曲線左右不對那稱是，什么原因造成的？怎樣調(diào)節(jié)光路才能避免這種現(xiàn)象的發(fā)生？圖一小孔狹縫板示意圖圖二光柵板示意圖表一：小孔狹縫板規(guī)格單縫DF1a=0.1DF2a=0.2DF3a=0.3單絲DS1a=0.1DS2a=0.2DS3a=0.3小孔XK1①二0.2XK2①二0.3XK3①二0.4小屏XP1①二0.2XP2①二0.3XP3①二0.4表二：光柵板規(guī)格正交光柵GS1 縱、橫均為d=1/50光 柵GS2 d=1/50雙孔①二0.2SK1d=0.25iSK2d=0.32SK3d=0.4矩孔JKa=0.12b=0