衍射光强分布的测实验报告

三一文库（）〔衍射光强分布的测实验报告〕
*篇一：衍射光强分布的测实验报告
衍射光强分布的测量
1008406006物理师范陈开玉
摘要：为了观察并验证单缝衍射和多缝衍射的图样以及它们的规律，本实验设计了基于水平光路的测量方法。

运用自动光强记录仪来对衍射现象进行比较函数化的观察。

实验观察到衍射条纹随着缝宽变窄而模糊和间距扩大，并且通过仪器对光强图样的位置定位和夫琅禾费光强的公式来计算单缝的缝宽。

该实验装置结构简单、调节方便、条纹移动清晰。

关键词：衍射自动光强记录仪单缝多缝
一、引言
光的衍射现象是光的波动性的重要表现，并在实际生活中有较多应用，如运用单缝衍射测量物体之间的微小间隔和位移，或者用于测量细微物体的尺寸等。

本实验要求通过观察、测量夫琅禾费衍射光强分布，加深对光的衍射现象的理解和掌握。

二、实验原理
1,衍射的定义:波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。

衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象,而光也是波的一种,光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或者小孔（窄缝），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。

衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样
2,光的衍射分为夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射,夫琅禾费衍射是指光源和观察点距障碍物为无限远，即平行光的衍射;而菲涅尔衍射是指光源和观察点距障碍物为有限远的衍射.本实验研究的只是夫琅禾费衍射.实际实验中只要满足光源与衍射体之间的距离u,衍射体至观察屏之间的距离v都远大于就满足了夫琅禾费衍射的条件,其中a为衍射物的孔径,λ为光源的波长.
3,单缝、单丝衍射原理：
如上图所示，a为单缝宽度，缝和屏之间的距离为v，为衍射角，其在观察屏上的位置为x，x离屏幕中心o的距离为OX=，设光源波长为λ，则有单缝夫琅禾费衍射的光强公式为：
式中是中心处的光强，与缝宽的平方成正比。

若将所成衍射图样的光强画成函数图象在坐标系中，则所成函数图象大致如下
除主极强外，次极强出现在的位置，它们是超越方程的根，其数值为：
对应的值为
当角度很小时，满足，则OX可以近似为
因而我们可以通过得出函数中次级强的峰值的横坐标只差来确定狭缝的宽度a
4，多缝衍射和干涉原理
多缝衍射的示意图如上图，每条缝的宽度为a，两条缝的中心距离为d，其中的每个单缝的衍射光强强度都和之前的单缝衍射光强公式一致。

多缝衍射与单缝的最大区别在于缝之间存在着干涉，如上图所示，对相同的衍射角，相邻两缝之间的光程差为,如果缝的数目为N，则干涉引起的强度分布因子为：其中
干涉因子的函数曲线为
干涉因子曲线的特点是：
1，主极强的位置与缝的数目N无关，只要即满足
就能出现主极强。

此时,但
2，次级强的数目为N-2，当时，，即出现强度为0的点，也就满足：
式中
在同一k之内共有N-1个零点，即有N-2个次级大。

同
时上式也说明N越大，主极强的角宽度越小，峰越锐。

多缝衍射的强度受单缝衍射和多缝干涉共同影响，其强度公式为其中
其函数图象就是单缝衍射函数图象和干涉因子的函数图象的合成，如下图
三、实验仪器
He-Ne激光器、衍射光强分布记录仪、衍射片（单缝，多缝，圆孔，圆屏），支柱若干
主要实验仪器如下图
摆放仪器的时候沿一条直线，要求激光的光点正好打在记录仪的横狭缝的正中心，再在中间放上和交换各种衍射片进行实验。

四、实验步骤
1.在光导轨(1.2m)上正确安置好各实验装置，如上图5所示；打开激光器，用小孔屏(白屏，有5mm小孔)调整光路，使激光束与导轨平行。

2.开启检流计，预热5分钟；仔细检查激光器、单缝和一维光强测量装置(千分尺)的底座是否放稳，要求在测量过程中不能有任何晃动；使用一维光强测量装置时注意鼓轮单方向旋转的特性（避免回程误差）。

3.确保激光器的激光垂直照射单缝，将单缝调节到一合适的宽度；由于实验所用激光光束很细，故所得衍射图样是
衍射光斑[lightspot]（依据条件可配一准直系统，如倒置的望远镜，使物镜作为光入射口，将激光扩束成为宽径平行光束，即可产生衍射条纹）。

*篇二：衍射光强分布测量
衍射光强分布测量
***，物理学系
摘要：
本实验利用激光为光源研究激光经过单缝与单丝时的衍射光强度分布情况。

激光的高准直性符合夫琅和费远场条件，且高单色性保证测量时没有不同波长光的叠加影响。

光感应器方面使用光栅尺与电脑连接做0.02毫米/点的高精度自动扫描。

通过巴比涅原理迂回得到了没有直射光时单丝的衍射光强分布，完整验证了运用衍射光强分布来测量小微物体的长度的方法和可行性，并实际运用此法测量了铜丝和头发丝的直径。

关键词：衍射分布巴比涅原理单缝直径测量
TheMeasurementoftheDistributionofLightDiffraction YixiongKeYiLin,DepartmentofPhysics
Abstarct：Thisexperimentmadeuseoflaserasthelightsourcetoverif
yaseriesofdiffractionpatternsof633nmlaserviadiffere ntsingleslitsandmonofilaments.Thecollimationfeature ofthelasermeetstheconditionofFraunhoferdiffraction, themonochromicfeatureoflaserprovideabetterexperimen talenvironmentthatthediffractionpatternwon`tbeinter ferebythelightofotherwavelength.Weuselinearencorder connectedtoPCviaULI(UniversalLaboratoryInterface)as thesensortoautomaticallyscanthediffractionpatternwi ththeratioof0.02mmperdot.WeuseBabinet’sprincipletogetthediffractionpatternofamonofilament p letelyverifiedthemethodandfeasibilityofmeasuringati nyobjectwithitsdiffractionpattern.Inaddition,wetryt omeasurethediameterofacopperwireandpeople’shairinthisway
Keywords:DiffractiondistributionBabinet`sPrinciples ingleslitsMeasureDiameteroftheWire
1
一、引言
衍射是波遇到障碍物时便利直线传播的现象。

通常光的衍射现象难以观察与测量，难点在于很难做到光的单色性导
致各个波长光互相叠加难以辨别。

实验室中激光由于其高准直性与高单色性而非常适合用于衍射现象的研究，准直性符合夫琅禾费衍射中的远场条件，单色性使我们能得到严格单一波长光的衍射图像而非数个波长的叠加。

实验室使用的衍射光强自动记录仪（以下简称光栅尺）使我们能非常方便地自动扫描高达0.02毫米每点的光强度分布曲线，实现了光学实验结果便捷、准确的数字化处理。

通过对微小物体造成的衍射图样的分析，可以测量得到微小物体的几何尺度，甚至几何结构。

大名鼎鼎的DNA双螺旋结构就是通过对X光衍射图像分析而完成的生命科学史上的巨大突破。

二、实验原理
1．衍射
衍射是波遇到障碍物是偏离直线传播的现象，出现明显衍射现象的条件是障碍物或狭缝尺寸与光波长所在数量级相近。

因此对于波长在数百纳米的可见光来说，在日常生活中能够观察到的衍射现象较少，明显的衍射图样需要在实验室中进行观察与研究。

2．菲涅尔衍射与夫琅禾费衍射
菲涅尔衍射是指点光源或接收屏距离衍射缝
有限远的情况（近场条件）。

在此条件下光源发
出的光到衍射缝有一个不可忽略的张角，即衍射
屏中心与衍射屏边缘处存在着不可忽略的光程差，
这种衍射情况叫做菲涅尔衍射。

夫琅禾费衍射是点光源和接受屏距离衍射缝均
无限远的情况，通常可用平行光或透镜等效实现这
一条件，在此条件下衍射缝宽度范围内的入射光可
以认为不存在光程差而等相位，这种衍射情况叫做
夫琅禾费衍射。

3．高斯光束
激光器出射的激光的电磁场及照射强度分布近似满足
高斯函数，因此激光出射光束在不可以简化为平行光时也可用高斯函数来更为精确地描述，其中激光束的参数有束腰2夫琅禾费衍射
宽度ω0（即光束直径最小值）瑞利距离Z??(Z??= ω02??)。

由此可用公式描述非束腰处光束宽度ω(Z)=ω01+??。

这在激光束并不能很好地近似为平行光时是
一个很方便??
的近似处理方式，在本试验中由于无法测定光束束腰宽度且激光束发散相当明显几乎相当于一个恒定张角发散的
点光源，因此高斯光束的近似处理精度远超出了本实验中其他部分的精度，在本实验中仍认定激光束是平行光。

4．巴比涅原理
巴比涅原理针对互补屏衍射的情况，它指出互补屏造成的衍射场中的复振幅之和等于自由波场的复振幅。

也就是说，
除几何像点的地方之外，两个互补屏平面产生的衍射图样完全一样。

5．单缝、单丝衍射原理：
如右图所示，a为单缝宽度，缝和屏
之间的距离为V，θ为衍射角，其在观察
屏上的位置为x，x离屏幕中心O的距离
=θ×V，设光源波长为??，则有单为
缝夫琅禾费衍射的光强公式为：
sinα2
I??=I0
α=πa×sinθ/??（1）
式中I0是中心处的光强，与缝宽的平方成正比。

若将所成衍射图样的光强画成函数图象在坐标
系中则所成函数图象大致如右图。

除主极强外，次极
强出现在dαdsinαα=0的位置，它们是超越方程
α=tanα的根，其数值为：
α=±1.43π±2.46π±3.47π……
对应的θ值为
sinθ=±1.43??a±2.46??a±3.47??a……
可以近似为当角度很小时，满足sinθ≈θ，则
=θ×V=±1.43v??a±2.46v??a±3.47v??a……
因而我们可以通过得出函数中次级强的峰值的横坐标。