衍射光强分布的测量

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1、单缝衍射的光强分布的测量 【实验目的】 1.观察单缝衍射现象，加深对衍射理论的理解；2.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；3.学会用衍射法测量微小量。 【实验仪器】 半导体激光器，可调宽狭缝，硅光电池（光电探头），一维光强测量装置，WJF型数字检流计，小孔屏和WGZ--IIA导轨。 【实验原理】 1.单缝衍射的光强分布当光在传播过程中经过障碍物，如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等时，一部分光会传播到几何阴影中去，产生衍射现象。如果障碍物的尺寸与波长相近，那么，这样的衍射现象就比较容易观察到。单缝衍射[sin

2、gle-slitdiffraction]有两种：一种是菲涅耳衍射[Fresneldiffraction]，单缝距光源和接收屏[receivingscreen]均为有限远[nearfield]或者说入射波和衍射波都是球面波；另一种是夫琅和费衍射[Fraunhoferdiffraction]，单缝距光源和接收屏均为无限远[farfield]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[scatteringangle]极小的激光器(<0.002rad)产生激光束[laserbeam]，通过一条很细的狭缝（0.1～0.3mm

3、宽），在狭缝后大于0.5m的地方放上观察屏，就可看到衍射条纹，它实际上就是夫琅和费衍射条纹，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-Fresnelprinciple]，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。图1激光的方向性机强，可视为平行光束；宽度为的单缝产生的夫琅和费衍射图样[pattern]其衍射光路图满足近似条件：产生暗条纹[darkfringes]的条件是（k=±1，±2，±3，…）(1)暗条纹的中心位置为(2

4、)两相邻暗纹之间的中心是明纹中心[centerofbrightfringes]；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[intensitydistributionoflight]的规律为        （3）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。图2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

5、为中央主极大[centralmainmaximum]；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，I=0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[secondarymaximum]明纹与中央明纹的相对光强分别为：=0.047,0.017,0.008,……(4)2.衍射障

6、碍宽度（）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。图3根据互补原理，光束照射在细丝上时，其衍射效应和狭缝一样，在接收屏上得到同样的明暗相间的衍射条纹。于是，利用上述原理也可以测量细丝直径及其动态变化。如下图3所示。3.光电检测[photoelectricdetection]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

7、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。(1)当在小孔屏位置处放上硅光电池和一维光强读数装置，与数字检流计（也称光点检流计）相连的硅光电池可沿衍射展开方向移动，那么数字检流计所显示出来的光电流[photocurrent]的大小就与落在硅光电池上的光强成正比。如图4所示的实验装置。图4根据硅光电池的光电特性可知，光电流和入射光能量成正比，只要工作电压不太小，光电流和工作电压无关，光电特性是线性关系；所以当光电池与数字检流计构成的回路内电阻恒定时，光电流的相对强

8、度就直接表示了光的相对强度。由于硅光电池的受光面积较大，而实际要求测出各个点位置处的光强，所以在硅光电池前装一细缝光栏(0.5mm)，用以控制受光面积，并把硅光电池装在带有螺旋测微装置的底座上，可沿横向方向移动，这就相当于改变了衍射角