【2017年整理】实验6单缝衍射.doc

实验6 单缝衍射的相对光强分布 【实验目的】 观察单缝的夫琅和费衍射现象及用光电元件测量其相对光强分布 由单缝衍射相对光强分布曲线计算狭缝宽度 【仪器用具】 光具座、He-Ne激光器、减光片、可调单缝、光电池、光点检流计、测距机构。 【原理概述】 光的衍射是光的波动性的基本特征之一，在光谱分析、晶体分析、全息技术、光信息处理等精密测量和近代光学技术中，衍射已成为一种有力的研究手段和方法。 光在传播过程中遇到尺寸接近于光波长的障碍物时（如狭缝、小孔、细丝等），发生偏离直线路径的现象，称为光的衍射。光的衍射现象通常分为两类，一类是菲涅尔衍射，一类是夫琅和费衍射。菲涅尔衍射指障碍物与光源和衍射图样的距离分别为有限远的情况。夫琅和费衍射指障碍物与光源和衍射图样的距离均为无限远的情况，亦即入射光和衍射光都是平行光束，也称平行光束的衍射。 图　　1 单缝夫琅和费衍射如图1所示。光源S置于透镜L1的焦面上，出射后变成平行光束垂直射到宽为狭缝D上。根据惠更斯－菲涅尔原理，狭缝上各点可以看成是新的波源，由这些点向各方发出球面次波，这些次波在透镜L2的后焦面上叠加形成一组明暗相间的条纹，按惠更斯－菲涅尔原理，可以导出屏上任一点处的光强为： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1） 式中为狭缝宽度，为入射光波长，为衍射角，称为主极强，它对应于P0处的光强。 根据上式可以作出光强分布曲线如图2。 从曲线上可以看出： 当，光强有最大值，称为主 极大，大部分能量落在主极大上。 当（） 时，，出现暗条纹，因角很小，可以 近似认为暗条纹在的位置上，可见， 主极强两侧暗纹之间的角距离，而 其他相邻暗纹之间的角距离均相等（）。 两相邻暗纹之间都有一个次极大，这些 极大的位置和相对强度列表如下，可以看到相邻　　　　　　　　图　2 两次极大之间的距离并不相等。 极大的级数 0（主极大） 0 1 第一次极大 0.0469 第二次极大 0.0166 第三次极大 0.0083 第四次极大 0.0050 【实验中的一些问题】 满足夫琅和费衍射条件的讨论 在实验中，我们可以不用透镜L1，L2（图1），而获得夫琅和费衍射图样。 因激光束的发射角很小（毫弧度），而且单缝的宽度也很小，所以用激光束直接照射狭缝，可认为是平行光入射，而撤去透镜L1。 另外，只要接收屏与狭缝的距离满足，即可撤去透镜L2，而直接在屏上观察到夫琅和费衍射条纹。下面导出这一条件：　　　　　　　　　　　　　　　 如图3，P0为衍射角的一点，对于夫琅和费衍射来说，要求缝上各点发出的次波到P0时均有相同的光程，显然，只有把屏移到 无穷远才能真正满足。实际上，只要 与的差远远小于一个波长，就可满 足条件。　　　　　　　　　　　　　　　 (　　　　　（2） 　　 因，可得 　 即有： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3） 在实验中，nm，缝宽cm，m。同学们可以检验是否满足条件（3）式。 光电接收元件的光电流与光强的关系 图　4 实验中，我们用半导体光电池作为接收元件，以光电流的大小来反映光强。因此，只有在光电流与光强成线性关系的条件下，我们才能以光电流的强度来表示光的相对强度。 我们知道，在点光源的光场中，在某一点处的光强和它与光源的距离的平方成反比。因此，改变光电池与光源的距离，测量出相应的光电流，则由的关系曲线，便可确定光电池是否工作在线性区域。 硒光电池的结构如图4： 当受光照时，由于半导体的内光电效应，产生了一个电位差，其本身可视为一个电流发生器，在电路内不需加外电压。它的光谱灵敏度和眼睛在白天的视见度大致一样，所以用途较广。 光电池有一反向电流：称为暗电流，应把它从测量结果中作为背景而扣除。 【实验内容】 测定单缝衍射的相对光强分布 激光器、可调狭缝、光探头、观察屏等统称为光学元器件。激光器、观察屏安装在一维磁性底座上，狭缝、光探头安装在二维磁性底座上。按图5在光具座上放置各元件，取m。光电池盒装在一个移测显微镜的测距机构上，所以光电池P可以沿方向移动，这就是相当于改变衍射角。我们在光电池前面还装了一个狭缝，以保证比较准确地测量任一位置的光强。 （1）粗调 点燃激光器，取工作电 流5mA左右。一般在点燃半小时 后测量，以保证光强的稳定性。 先只摆放激光器和观察屏，调节 激光器底座，让激光束打在观察 图 5 屏上。屏上光点高度与激光器出光口高度一致，在水平面上确定一基准光路。将底座的开关拨至“on”。 ② 摆上可调狭缝，狭缝沿竖直方向放置，与激光器出光口的距离不大于10cm。沿X 方