实验一夫琅与费单缝衍射实验.pdf

实验一 夫琅和费单缝衍射实验 1 实验目的 1） 观察单缝夫琅和费衍射现象，加深对夫琅和费衍射理论的理解。； 2 ） 会用光电元件测量单缝夫琅和费衍射的相对光强分布，掌握单缝夫琅和费衍射图样 的特点及规律； 3 ） 探讨利用夫琅和费单缝衍射规律对狭缝缝宽等参数进行测量。 2 实验仪器 1）GDS- Ⅱ型光电综合实验平台主机； 2 ） 650nm 波长半导体激光光源； 3 ）可调宽度的狭缝； 4 ）50mm 焦距的凸透镜； 5 ）二维调整架； 6 ）通用磁性表座； 7 ）接收屏； 8 ）衰减片； 9 ）硅光电池及A/D 转换装置、CCD 3 实验原理 光束通过被测物体传播时将产生“衍射”现象，在屏幕上形成光强有规则分布的光斑。 这些光斑条纹称为衍射图样。衍射图样和衍射物（即障碍物或孔）的尺寸以及光学系统的参 数有关，因此根据衍射图样及其变化就可确定衍射物（被测物）的尺寸。 按光源、衍射物和观察衍射条纹的屏幕三者之间的位置可以将光的衍射现象分为两类： 菲涅耳衍射（有限距离处的衍射）；夫琅和费衍射（无限远距离处的衍射）。若入射光和衍射 光都是平行光束，就好似光源和观察屏到衍射物的距离为无限远，产生夫琅和费衍射。由于 夫琅和费衍射的理论分析较为简单，所以先论夫琅和费衍射。 半导体激光器发出相当于平行单色光的光束垂直照射到宽度为 b 的狭缝AB ，经透镜在 其焦平面处的屏幕上形成夫琅和费衍射图样。若衍射角为ϕ 的一束平行光经透镜后聚焦在屏 幕上 P 点，如图 4.9-1 所示， 图中AC 垂直 BC ，因此衍射角为ϕ 的光线从狭缝A 、B 两边 到达 P 点的光程差，即它们的两条边缘光线之间的光程差为 BC b sinϕ （1） p 点干涉条纹的亮暗由 BC 值决定，用数学式表示如下： ⎧ ⎪ λ ϕ λ − 〈 sin 〈 b ⎪⎪ λ ⎨ b sinϕ ±2k （2 ） ⎪ 2 ⎪ sinϕ ±(2 +1) λ b k ⎪⎩ 2 式中的±号表示亮暗条纹分布于零级亮条纹的两侧；k 1,2, 相应为第一级，第二 级，……等亮（或暗）条纹。中央零级亮条纹最亮最宽，为其它亮条纹宽度的二倍。两侧亮 图 1 夫琅和费单缝衍射原理示意图 条纹的亮度随级数增大而逐渐减小，它们的位置可近似地认为是等距分布的，暗点等距分布 在中心两点的两侧。当狭缝宽度 b 变小时，衍射条纹将对称于中心亮点向两边扩展，条纹间 距增大。激光衍射图样明亮清晰，衍射级次可以很高。若屏幕离开狭缝的距离 L 远大于狭 缝宽度 b 时，将透镜取掉，仍可以在屏幕上得到垂直于缝宽方向的亮暗相间的夫琅和费衍射 图样。由于ϕ角很小。因此由图 1 和式（2 ）可得： kL L λ λ b （3 ） x S k 式中，k 为从ϕ ＝0 算起的暗点数，xk