实验11 光强分布

实验11 光强分布

实验中切勿用眼对视激光否则会造成视网膜永久性损伤

一、实验理论简介

光的衍射是光的波动性的一种重要表现。当光在传播过程中经过障碍物时，如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等，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。单缝衍射有两种，一种菲涅耳夫衍射——光源和衍射屏到衍射物的距离为有限远时的衍射，即所谓近场衍射，入射波和衍射波都是球面波；另一种为夫琅和费衍射——光源至单缝的距离和单缝到衍射屏的距离均为无限远（或相当于无限远），即要求照射到单缝上的放射光、衍射光都为平行光（激光满足要求），即所谓远场衍射，入射波和衍射波都可看做平面波。

本实验观察夫琅和费衍射。实验中使用半导体激光作为光源，由于激光束的方向性好，所以可将激光看做平行光使用。

马吕斯定律：当两偏振片相对转动时，透射光强就随着两偏振片的透光轴的夹角而改变。如果偏振片是理想的，当的它们的透光轴互相垂直时，投射光强应为零：当交角θ为其他值时，透射光强I为:

I=I0 cos2θ

式中I0是两光轴平行（θ=0）时的透射光强。上式称为马吕斯定律。

二、实验目的：

1．观察夫琅和费单缝衍射现象，加深对光的波动性理解。

2．握用硅光电池作用原理测量单缝的衍射光强和偏振光的光强分布，验证马吕斯定律。

三、实验装置

图1

1、激光电源

2、半导体激光器

3、扩束镜及平行光管

4、二维调节

架

5、小孔狭缝板、光栅板、可调狭缝、小孔屏、起偏检偏装置

6、光电探头

7、一维光强测量装置 8、数字式检流计

四、实验原理

本实验仅研究夫琅和费单缝衍射。平行光通过单缝在离单缝无限远处产生的衍射为夫琅和费衍射。本实验采用激光光源，而且单缝离屏的间距D 远大于缝宽a ，所以产生平行光的透镜和观察衍射图样的透镜均可省略，如图2所示。设中央亮纹的光强为I 0，经计算得出屏幕上与光轴成θ角的P θ处的光强： 220

sin u u I I =θ (λ

θπsin a u =) (1) 当u =0(θ=0)时，即I =0I ，为中央主极大。当u=πm (m=±l ，±2……)即a sin θ=λm 时出现一系列极小值(暗纹)。由于θ值实际很小，θθsin ≈，即a θ=λm ,所以暗纹出现在a m λθ=方向上。显然，主极大两侧暗纹之间的角间距a

λθ2=∆为其它相邻暗纹之间角间距a λ

θ=∆的两倍。除了主极大外，两相邻暗纹之间都有一个次极大。这些次极大的位置出现在θ=±1.43π，±2.46π，±3.47π……处。其相对光强依次为0.047，0.017，0.008……其相对光强分布如图3示。

本实验用的光强分布仪是用硅光电池作光电转换，从数字检流计上读取数值，逐点记录下来，用坐标纸将记录下来的数值描绘出来就是衍射光强分布图。测量仪器的装置如图1示。

五、实验内容和步骤

实验主要内容是观察单缝衍射现象及马吕斯定律的验证；

实验步骤

激光器

图2

-2.46

-1.43 2.461.43I/I 0

2-30 -2 - 3

图3

(一)单缝衍射光强的测定

1、参考图1搭好实验装置。

2、打开激光器、用小孔屏调整光路，使出射的激光束与导轨平行；

3、打开检流计电源，预热5分钟及调零——衰减旋钮校准位置(顺时针转到底，即灵敏度

最高)。调节调零旋钮，使数据显示为“一000”(负号闪烁)，即可测量微电流。，将测量线连接其输入孔与光电探头。

测量过程中，如果被测信号强度大于该档量程，数码管第一位显示“1”，后三位均显示“9”，此时可调高一档量程（红色按钮）。当小数点不在第一位时，一般将量程减小一档，以充分利用仪器的分辨率。

4、调节二维调节架，选择所需要的单缝、双缝、可调狭缝等，对准激光束中心，使之在

小孔屏上形成良好的衍射光斑；

5、移去小孔屏，调整一维光强测量装置，使光电探头中心与激光束高低一致，移动方向

与激光束垂直，起始位置适当。

6、开始测量，转动手轮，光电探头移动一定距离(如0.2mm,0.5mm，或者lmm)，从数字

检流计上读取一个数值，逐点记录下来。要求中央主极大测l2个点以上，次极大测5个点以上，将数据填入自拟的表格中，并用坐标纸，以横轴为距离(X)，纵轴为光强（Ι），拟合出单缝衍射光强分布图。

（二）偏振光实验

1、参考图1搭好实验装置：

2、同上，打开激光电源，调好光路，使在平行光管后的小孔屏上可见一较均匀圆光斑；

3、同上，打开检流计，预热及调零；

4、将起偏检偏器置于平行光管后并紧贴平行光管，使光斑完全入射起检偏器；

5、置起偏器读数鼓轮于“0”位置，开始测量。转动刻度盘（连起偏器）2℃或4℃,从检

流计（置适当量程）上读取一个数值,逐点记录下来,测量一周; 用方格纸或坐标纸将记录下来的数值描述出来就是偏振光实验的光强变化图；它应基本符合马吕斯定律：

I=I0 cos2θ

6、在转动刻度盘（连起偏器）一周的过程中，可找到两个位置，在检流计上的读数为0，

出射光强为零,此现象为消光现象,但因为杂散光或偏振片不完全理想等因素，无法得到完全的消光效果，所以一般情况下，可在检流计上读出接近于零的最小读数。

六、数据记录及处理

光强度分布曲线

七、实验思考题：当狭缝宽度变窄时，衍射图样有什么变化？

八、选做

应用单缝衍射的规律计算缝宽（参考书《大学物理下册》）。