实验六CCD多道光强分布测量.doc

实验六 CCD多道光强分布测量 随着科技进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，先进的光学实验室不再用测量望远镜或丝杠带动光电池来测量干涉、衍射花样的光强分布，所使用的都是以CCD器件为核心构成的各种光学测量仪器。 LM99PC单缝衍射仪/多道光强分布测量系统用线阵CCD器件接收光谱图形和光强分布，经过微处理系统的分析处理，在监视器上显示出光强曲线，并以之为对象进行测量而展开实验。LM99MP具有分辨率高（微米级），实时采集、实时处理和实时观测，物理现象显著，物理内涵丰富等明显的优点。 一、实验目的 CCD单缝衍射仪用于光学实验项目中作单缝、单丝、双缝、多缝、双光束等的干涉、衍射实验。通过采集系统实时获得曲线，测量其相对光强分布和衍射角，进而测量单缝的缝宽、单丝的直径、光源的波长、双缝的缝宽和缝间距、光栅常数、激光束发散角测量等。 二、实验原理 光的衍射现象是光的波动性的一种表现，可分为菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射两类。菲涅耳衍射是近场衍射，夫琅禾费衍射是远场衍射，又称平行光衍射。见图8。将单色点光源放置在透镜L1的前焦面，经透镜后的光束成为平行光垂直照射在单缝AB上，按惠更斯--菲涅耳原理，位于狭缝的波阵面上的每一点都可以看成一个新的子波源，他们向各个方向发射球面子波，这些子波相叠加经透镜L2会聚后，在L2的后焦面上形成明暗相间的衍射条纹，其光强分布规律为： （1） 其中 ，a是单缝宽度，θ是衍射角，为入射光波长。 图1 单缝衍射 参见图2，由（1）式可见： 当时，，为中央主极大的强度，光强最强，绝大部分的光能都落在中央明纹上。 当时，，为第K级暗纹。由于夫琅禾费衍射时，θ很小，有θSinθ，因此暗纹出现的条件为： （2） 3、从式（2）可见，当K=±1时，为主极大两侧第一级暗条纹的衍射角，由此决定了中央明纹的宽度 其余各级明纹角宽度 所以中央明纹宽度是其它各级明纹宽度的二倍。 4、除中央主极大外，相邻两暗纹级间存在着一些次最大，这些次最大的位置可以从对（1）式求导并使之等于零而得到，如下表示： 级数K 次最大时 相对光强 ±1 ±1.43 0.047 ±2 ±2.46 0.017 ±3 ±3.47 0.008 三、实验装置 一套完整的LM99PC由光具座、激光器、组合光栅、LM601CCD光强分布测量仪和计算机数据采集盒（USB接口），外加一套计算机组成，其中LM601 CCD光强分布测量仪是核心部件。 （一）整套系统外形如图： 1．激光器： 小功率的半导体激光器； 2．组合光栅： 由光栅片和二维调节架构成，见图3，光栅片上有7组图形，见图4。 光栅片 上部 / 下部 第1组： 单缝（a=0.12mm） / 单丝（0.12mm） 第2组： 单缝（a=0.10mm） / 单丝（0.10mm） 第3组： 单缝（a=0.07mm） / 双缝（a=0.07mm，d=2） 第4组： 单缝（a=0.07mm） / 双缝（a=0.07mm，d=3） 第5组： 单缝（a=0.07mm） / 双缝（a=0.07mm，d=4） 第6组： 双缝（a=0.02mm） / 三缝（a=0.02mm，d=2） 第7组： 四缝（a=0.02mm） / 五缝（a=0.02mm，d=2） d为缝中心的间距与缝宽的比值。几组多缝结构安排是针对母国光等编《光学》P223~P227；P325~P331的教学内容所设计。 3．计算机数据采集盒：计算机数据采集盒用USB接口与计算机相连。 4．CCD光强分布测量仪：其核心是线阵CCD器件。CCD器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。LM601 CCD光强仪所用的是线阵CCD器件，性能参数如下表。LM601CCD光强仪机壳尺寸为150mm×100mm×50mm，CCD器件的光敏面至光强仪前面板距离为4.5mm。 光敏元数 光敏元尺寸 光敏元中心距 光敏元线阵有效长 光谱响应范围 光谱响应峰值 2592个 11×11μm 11μm 29.7mm 0.35~0.9μm 0.56μm LM601 CCD光强仪后面板各插孔标记含义如下，内部电路结构框图见图5，波形见图6：