实验衍射光强自动测量实验.docVIP

实验15 衍射光强自动测量实验 光的衍射是一种自然现象，光衍射是光在空间某点进行叠加作用的结果，不同途径得到的衍射条纹不同，根据实验，可以了解这些衍射现象产生的原理，并可以进行一些相关参数的测量。衍射实验的光路主要由光源、衍射元件和观察屏等三要素，在光具座或光学平台上组装而成。根据三者间距离的大小，将光衍射效应大致分成两种典型的光衍射图样，一种是衍射元件与光源和观察屏都相距无穷远，产生这种类型的光衍射叫夫琅禾费衍射，另一种是上述三者间相距有限远，产生的光衍射叫做菲涅耳衍射。由于激光光束平行度较佳，且三者间距离远大于元件的线度，故本实验着重研究更具有实际意义的夫琅禾费衍射。 本实验采用SGS-1型衍射光强自动记录系统进行衍射光强的测量和记录。 【实验目的】 1. 掌握在光具座上组装、调整光路的实验技能；学习微机自动控制进行测量时相关参量的设定。 2．了解光强测量的一种方法，观察并定量测定衍射元件产生的光衍射图样；掌握一种单缝宽度的测量方法。 【仪器用具】 序号 名 称 数量 1 衍射光强自动记录系统主机 1台 2 电控箱 1台 3 氦氖激光器(含电源) 1套 4 二维调节基座 1个 5 磁力基座 2个 6 二维调节架 1个 7 干板架 1个 8 激光器架 1个 9 衍射狭缝 1套 10 多孔板 1块 11 多缝衍射板 1块 12 平面反射镜 1块 13 USB线 1根 14 电缆线 2根 15 电源线 1根 16 工作光盘 1张 【实验原理】 夫琅禾费衍射是指光源和观察者离衍射物体均为无穷远时的衍射。实际实验中只要满足光源S与衍射体D之间的距离u与D至观察屏P之间的距离v均远大于就能观察到夫琅禾费衍射现象(如图15.1)。其中a为衍射物的孔径，λ为光源的波长。 图15.1 夫琅禾费衍射原理图 图15.2单缝衍射示意图 2.1单缝衍射的强度公式 这里只给出单缝衍射的光强公式，其推导过程可参照任何一本光学教科书。 如图15.2所示，a为单缝的宽度，D、P间的距离为v，θ为衍射角，其在观察屏上的位置为X，X离屏中心O的距离，光源的波长为λ。 单缝夫琅禾费衍射的光强公式为： (1) (2) 式中是中心处的光强，与缝宽的平方成正比。 图15.3是单缝衍射的相对光强曲线，中心为主极强，相对强度为1。 图15.3单缝衍射的相对光强 除主极强外，次级强出现在的位置，它们是超越方程的根，其数值为： ＝±1.43π，±2.46π，±3.47π…… (3) 对应的值为: (4) 实际上衍射角度θ很小，，所以在观察屏上的位置OX可近似为： (5) 次极强的强度为： I1≈4.7%I0 ， I2≈1.7%I0 , I3≈0.8%I0 (6) 由式（6）可知，次级强的强度较主极强弱得多，如考虑到倾斜因素，其实际强度较式（6）所得的数值还要小些。 　　　次级强的位置和强度可近似表示为： α ≈±（k+1/2）π，Ik≈±[（k+1/2）π]-2I0 k=1,2,3…. (7) 光强为零的位置出现于=0处，即α=kπ，k=±1, ±2…处，也就是=k×λ/a，k的取值为±1, ±2…。 2.2矩形孔衍射的强度公式 如图15.4所示，矩形孔在x方向的边长为a, y方向为b。观察点p在y’方向的角度为θ１，在x’方向的角度为θ２，则p点的强度为： (8) (9) 由式（8）、（9）可知，矩形孔衍射的相对强度I(p)／I0是两个单缝衍射因子的乘积。 图15.4 矩形孔的夫琅禾费衍射 图15.5 多缝间的干涉 2.3多缝夫琅禾费衍射强度公式 如图15.5是多缝的示意图，每条缝的宽度均为a，两条缝的中心距均为d。每个单缝的衍射强度仍与式（1）和式（2）一致。多缝与单缝衍射的最大区别在于每条缝之间存在干涉。如图所示，对相同的衍射角θ，相邻两缝间的光程差均为，如缝的数目为N，则干涉引起的强度分布因子为： ， （10） 干涉因子曲线见图15.6，它的特点是： 主极强的位置与缝的数目N无关，只要β＝kπ（k＝0,±1, ±2…　），即满足