组合式光学实验论文

组合式光学实验------- 单缝衍射物理与科学技术学院摘要: 通过对单缝衍射，双缝衍射，圆孔衍射，光栅以及光的偏振等现象进行试验探究，对光的干涉、衍射和偏振现象及其规律和测量方法有所了解关键字：单缝衍射引言：波动是自然界中非常普遍的一类运动形式，在力、热、电、光各个领域无处不在。

尽管各种波动的具体形态各异，其间却有着惊人的相似性。

无论从基本概念、基本原理、还是从数学语言或计算方法等各方面都十分相似。

衍射和干涉都是波动特有的现象，水波、声波和各种波长的电磁波在一定的条件下都会出现衍射现象。

通常干涉是指两束波或多束波的叠加，从而在空间形成波的不同强度的分布。

衍射是将每束波的波前分成若干个级次子波源，这些子波源发出的波在空间叠加，从而会形成波强度的空间分布图样。

一般说来光波是波长在300—800nm范围的电磁波，干涉和衍射说明了光的波动性，而光的偏振现象确立了光的横波性质。

光的横波性仅表明了电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可以有不同的偏振态，最常见的偏振态大体可分为五种：自然光、线偏振光、部分线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。

光波的特点较集中的反映在研究和应用它的实验装置和仪器上。

本实验设置了几个基础内容：单缝衍射，双缝衍射，圆孔衍射，光栅以及光的偏振等，以期实验者在实验之后对光的干涉、衍射和偏振现象及其规律和测量方法有所了解；并设置了若干个扩展内容，学生可以根据现有仪器和各种附件，自己设计和组装测量仪器完成扩展内容，还可以利用给出的仪器和附件选做一些自主探索和研究性的光学实验，丰富自己的实践经验，提高科学思维能力和实验的动手能力。

衍射系统主要由光源、衍射屏和接收屏构成，一般用它们相互之间距离的远近将衍射分为两类：一类是衍射屏距光源和接收屏均为有限远，称为菲涅耳衍射；另一类是衍射屏距光源和接收屏均为无限远或者相当于无限远，被称之为夫琅和费衍射。

这里研究的是夫琅和费衍射实验研究现状：光学是一门古老的学科，在人们探索光的本质的过程中，光学得到不断的发展。

光学的发展大体上可划分为几何光学、波动光学和量子光学三个阶段。

1801年，托马斯·杨的双缝干涉实验获得了光具有波动性的有力证据，从此光学由几何光学时代进入到波动光学时代，1864年麦克斯韦建立了光的电磁理论，电、磁、光实现了大统一。

1905年爱因斯坦提出光子假设，很好地解释了光电效应现象，从此光学进入到量子光学时代。

1960年第一台激光器在美国诞生，从此光学进入到飞速发展的时代。

激光测量，激光制导，非线性光学，全息光学，光信息处理，光计算机等与“光”相联系的学科不断涌现，光学继电子学之后成为又一个最引人瞩目的科学分支。

研究方向及存在的问题：单缝衍射：实验目的：1观察单缝衍射学现象，加深对衍射理论的理解；2学会利用光电元件测量相对光强分布，画出单缝衍射的相对光强分布图；3分析单缝的规律；4学会用衍射去测量小量。

实验仪器半导体激光器，可调宽度狭缝，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(如图)S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现象去，产生衍射。

如果障碍物的尺寸与波长相近，衍射现象就比较容易观察到单缝衍射有两种：一种是涅耳衍射，单缝距光源和接收屏均为有限远即入射波和衍射波都是球面波；另一种是夫琅和费衍射，单缝距光源和接收屏均为无限远或相当于无限远，即入射波和衍射波都可以看作平面波，本实验只讨论夫琅和费单缝衍射中的相对强光分布，夫琅和费衍射的光路点光源S产生的光经过透镜L1会聚后，形成平行光垂直直棱镜投射在狭缝E上产生衍射，经狭缝E衍射后与主光轴成θ角方向的光线（即衍射角为θ）再由L2会聚，投射在光屏F的P A点，P A与光屏P0距离为χ。

光屏处于L2的焦面上。

根据惠更斯-菲涅耳原理狭缝上每一个点都可以看成是向各个方向发射球面波的新波源，由于子波叠加的结果，在光屏上得到一组平行于狭缝的阴暗相间条纹。

名条纹的亮度（即光强度）在垂直于狭缝方向上按规律变化。

由理论计算可得，垂直入射狭缝平面的平行光经狭缝衍射后光强分布的规律为式中,I2是与狭缝垂直的衍射会聚与光屏的P1的光强，d是狭缝宽度，λ是入射光波长，D是狭缝位置到长屏位置的距离，θ为衍射角，其光强分布如图所示可以看出，当θ相同，即Ζ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θ=0，χ=0，I=I2，在整个衍射图样中，此处光强最强，称为中央主极大，中央明纹最亮，最宽，它的宽度为其他各级明纹宽度的两倍。

时,I=0地方出现，在这些地方出现暗条纹。

暗条纹以光轴为中心，呈等间距，左右对称的分布。

两相邻暗纹之间一定是一级明纹。

某一级暗纹的宽度△χ，可用K＝±1的两条暗条纹间的间距确定，△χ=2λD∕d;某一级暗条纹的位置与宽度d成反比，d增大是,x减小，各级衍射条纹向中央收缩，这时可以认为光线是沿几何直线传播的。

除中央主级大外，两相邻暗纹之间都有一个次极大。

计算可知，各次极大明纹的位置各次极大明纹与中央明纹的相对光强分别为实验中，采用激光器作为光源，由于激光的方向性好（散射角小于0.002rad），可以近视看成平行光，而且狭缝的宽度很小（小于0.5mm）狭缝到光屏的距离D较大（D远大于0.5m).所以实验中不用透镜L1，L2，这样图简化为夫琅和费衍射简化图2衍射障碍宽度d的测量由以上分析可知光波波长λ，可得狭缝的宽度计算公式为因此，如果测到了第k级暗条纹的位置X，用光的衍射就可以测量狭缝的宽度。

同理，如果已知单缝的宽度，就可以测量未知的光波波长。

根据无补原理，光束照射在细丝上时，其衍射效应和狭缝一样，在接收屏上可以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。

3光电检测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方法。

（1）当在小孔屏位置处放上硅光电池和一维光强测量装置，光强用数字检流计来显示，硅光电池也随一维光强测量装置联动，可沿衍射展开方向左右移动，当硅光电池移动时就改变了衍射角，这样可以测量不同位置的光强值，同时，由于硅光电池的受光面积较大，而实际要求测出各点位置处的光强，所以在硅光电池前装一细缝光。

用以控制光面积，实验装置如图（2）（3）硅光电池的光电特性可知，光电流和入射光能量成正比，只要工作电压不太大，光电流和工作电压无关，光电特性也是线性关系；所以当硅光电池与数字检流计构成的回路内阻一定时，光电流的相对强度就直接表示了光的相对强度。

（4）数字检流计的量程分为四档，可以用不通的光阻范围，使用前应先预热15分钟（5）四档的量程分别为（6）【实验内容】一、夫琅和费单缝衍射的观察与测量1、选用半导体激光器、单缝模板、接收屏、二维半自动扫描平台、光电传感器以及光具座组装测量装置，调节半导体激光器、单缝模板、接收屏和光电传感器之间的位置，接通激光器电源，调节光路，使测量系统等高和共轴，选择单缝模板上某一狭缝，从接收屏上观测到清晰的单缝衍射图样后，从光学导轨上取下接收屏，调节二维半自动扫描平台，使衍射光斑照在光电传感器前的入射狭缝上。

2、用双鼠标头连接线将二维半自动扫描平台上的光电传感器（根据实验内容选择合适的放大倍数，不出现削波为准）与光电转换器相连，光电转换器的输出端接DHYH-2多功能物理测试系统模拟输入通道（选择前面板合适的模拟输入通道，一般选择通道1）；半自动扫描平台上的信号输出（双声道耳机插头）与DHYH-2多功能物理测试系统前面板中“INT1”输入口相连；半自动扫描平台上的DC12V 口接上12V的开关电源；接通电源和开关。

3、打开微机，点击DHSO-1 组合式综合光学实验装置V1.0 ，进入综合光学单缝实验主界面（如图1.3所示），点击“查找端口”按钮查找有效端口，选择信号输入通道（如通道1），选择实验内容。

采样频率选择为，选择对应的通道放大倍数（一般选择1×1）。

（7）用卷尺多次测量狭缝到光电传感器的距离，计算其平均值D。

（8）节二挑维半自动扫描平台，使光学传感器处于适当的位置（一般在衍射级次m ≥5），点击主界面的“启动“键，然后启动扫描电机，进行实时测量，使衍射斑光强的极大值依次通过光传感器，扫描完所需的区间后，单击“停止”键，停止采集数据，点击“保存数据”保存光强随位置变化的数据。

横坐标表示位移，单位是毫米，纵坐标表示光强，单位是伏特。

二、改变缝宽，测量光强随位置变化的曲线图1、观测不同缝宽时，衍射光强分布的特点与规律。

2、计算各种缝宽时，各衍射级次的相对光强。

3、比较理论计算值和实际测量值，分析误差的主要来源（9）图1.4为单缝宽0.24mm，狭缝与光电传感器相距D=630mm，光电传感器前通光孔0.6mm，光电传感器放大倍数为10倍时光强-位移数据，从所测数据得衍射中心至第一级极小值间距y=1.823mm。

图1.5为单缝宽0.12mm，狭缝与光电传感器相距D=630mm，光电传感器前通光孔0.6mm，光电传感器放大倍数为10倍时光强-位移数据,从所测数据得衍射中心至第一级极小值间距y=3,727mm。

（10）三、实验数据处理1、用同级次条纹间的距离除以2，求得从图样中心到第一级极小的距离。

2、计算激光波长，误差大小以及分析误差来源。