大角度会聚光束特性的实验研究.docVIP

大孔径会聚光束的圆孔和圆屏衍射( 杨立森1) 刘少杰2) 1)（内蒙古师范大学物理系 呼和浩特，010022） 2)（南开大学物理学院，天津 300071） 摘 要: 发现实验中经常使用的大孔径大角度会聚光束的圆孔和圆屏衍射图样不同于一般的圆孔和圆屏衍射图样，对这种光束进行了实验性的研究。用简单的几何光学方法给出了定性的解释。 关键词: 大角度会聚光束， 费涅尔圆孔衍射， 费涅尔圆屏衍射 中图分类号: o436.1 1. 引言 我们在做晶体的非线性研究实验时，经常用到大角度会聚光束。在实验中，大角度会聚光束通常是用图1所示的实验装置来实现的。用这种会聚光束入射晶体时，往往会在远场屏上出现一种随时间变化的环状图案。这些图案是如何产生的和这些图案究竟反映了晶体内部在大角度会聚光束的辐照下发生了怎样的改变，或我们怎样利用这些图案演变提供的信息了解晶体中发生的变化，这是一个很值得探讨的问题。首先我们要对这种大角度会聚光束的特性有所了解，才能对它在晶体中产生的衍射图案作出正确的解释。所以我们对它进行了实验性的研究。 人们对平行光束的费朗和费衍射和发散光束的费涅尔衍射研究的较为透彻，对它们的衍射图样(1(也非常熟悉。但是对这种大角度会聚光束的圆孔和圆屏衍射却了解甚少。我们在实验中发现这种大角度会聚光束的圆孔和圆屏衍射会出现不同于以上两种衍射的图案，对于这些现象的描述及其解释，至今没有文献可查。因此我们对它进行了实验性的研究。 2. 实验装置 实验装置见图1。YAG激光器发出的一束50mw窄的平行光束经空间滤波器sp滤波后为一 发散的球面波，此发散的球面波经一f＝5cm的凸透镜L1变换为汇聚球面波，在会聚点前放置衍射物体p，在远处的观察屏S上观察衍射图样，并用CCD记录屏上的衍射图样。 3．实验观察 令：透镜L1的会聚点前为一Z，会聚点后为＋Z 3.1圆孔衍射 把屏上开有直径约为1.5mm，边缘不太整齐的圆孔光阑和屏上开有直径为1.2mm，边缘比较整齐的圆孔光阑分别放在透镜L1的会聚点前（－Z）时，在远场屏上出现图2 （a）和（b）的衍射图样：出现一个很宽的大圆暗环，大圆暗环内侧是一套由粗到细，由疏到密明暗相间的同心圆环，它是典型的费涅尔圆孔衍射图案。大圆暗环外侧也是一组由粗到细，由疏到密明暗相间的圆形环纹，与圆屏衍射图样十分相似。由孔内的毛刺和凹陷可以看出：此时的“圆屏衍射”图案是圆孔衍射图案的空间翻转（反演变换），见图2（a）。由于小孔的衍射作用，很难看清小孔的内侧边缘情况，利用这种“反演变换”可以起到了对小孔内侧边缘反演放大作用。 3.2圆屏衍射 把玻璃片上镀有不同直径的圆屏放在L1的会聚点前，远场屏上出现图3（a）所示的衍射图样，图样中间是一个圆暗斑，外侧有明暗相间的环纹，暗斑中心有亮点，这是明显的费涅尔圆屏衍射。图案的外侧是一个大圆暗环，大圆暗环的内外两侧均有隐约可见的、明暗相间的圆形环纹。为了更细致的观察它的细节，我们用一个玻璃片上的灰尘颗粒作为更小的圆屏，放在L1的会聚点前的光束中间，在观察屏上出现图3（b）的衍射图案。同样中心是一明显的圆屏衍射图样，这时的大圆暗环变窄，大圆暗环内侧是由粗到细，明暗相间的同心圆环，很像费涅尔圆孔衍射环，大暗环外侧出现的环纹也是由粗到细，由强到弱，很像是圆屏衍射环纹。 我们在玻璃片上点－不圆的墨点。用它来代替圆屏，屏上出现图3（c）所示的图案，墨点的不圆使外暗环的宽度在不同方向发生了变化，墨点窄的方向，暗环较窄，墨点宽的方向，暗环较宽。如果屏是圆对称的，大圆暗环是等宽的，圆对称的。见图3（a）。说明大暗环是屏在不同方向上的投影（它是屏的反演变换），它可以反映屏上的情况。由于微小物体衍射比较严重，很难看清它的轮廓，这样就可以利用大暗环来了解微小物体的形状。 3.3大角度会聚光束在会聚点前的光强分布 为了搞清楚入射光束是一种什么样的光束我们先来考察入射光束的光强分布。把CCD直接放在L1的会聚点前，在计算机屏幕上可以看到一个非常圆的光斑，见图4（a）。逐渐减小入射光的功率，可以看到光斑内的光强分布：光斑的边缘和中心的光强最强（图4（b））,光斑边缘与光斑中心之间的区域光强较弱。再减小入射光的功率，中心变为一亮点，边缘变为一个亮圈，见图4（c）。把透镜L1前的光阑缩小到某一孔径可使中心亮点消失。说明中心亮点与远离光轴的大角度会聚光线有关。角度越大的光线会聚点越靠前。把CCD逐渐前移至z＝－1cm左右，光斑逐渐变大，中心亮点逐步减弱直至消失，见图4（c），（d）。中心亮点在－z方向1cm范围内都存在。在近轴光线的会聚点附近会更强些。