实验6-单缝衍射.doc

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1、实验6单缝衍射的相对光强分布【实验目的】1．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2．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，

2、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：105　　　

3、　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（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：①当，光强有最大值，称为主极大，大部分能量落在主极大上。②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（）。③两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

4、极大）01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】1．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。105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

5、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　　图　3　　　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。1．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

6、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105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】1．测定单缝衍射的相对光强分布激光

7、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①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

8、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方向移动狭缝底座，使光束从狭缝穿过，观察屏上出现光斑或条纹，且条纹落在与光探头进光狭缝垂直的水平线上。③调节狭缝底座上的螺杆，使光斑或条纹最亮。将底座的开关拨至“on”。④调节狭缝宽度，使条纹中心亮纹的宽度约为5mm。⑤放上光探头，探头尽可能靠近观察屏，使图5中的Z值尽可