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、形成实事求是的科学态度和严谨、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[single-slit diffraction]有两种：一种是菲涅耳衍射[Fresnel diffraction]，单 缝距离光源和接收屏[receiving screen]均为有限远[near field]，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[Fraunhofer diffraction]，单缝距离光源和接收屏均为 无限远[far field]或相当于无限远，即入射波和衍射波都可看作是平面波。 在用散射角[scattering angle]极小的激 光器(0.002rad)产生激光束[laser beam]， 通过一条很细的狭缝（0.1～0.3mm 在狭缝后大于0.5m的地方放上观察屏， 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-Fresnel principle]，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[dark fringes]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[center of bright fringes]。 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[intensity distribution of light]的规律为： 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[central main maximum]；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[secondary maximum]明纹与中央明纹 2、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