实验六： CCD多道光强分布测量

实验六 CCD 多道光强分布测量

随着科技进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，先进的光学实验室不再用测量望远镜或丝杠带动光电池来测量干涉、衍射花样的光强分布，所使用的都是以CCD 器件为核心构成的各种光学测量仪器。

LM99PC 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统用线阵CCD 器件接收光谱图形和光强分布，经过微处理系统的分析处理，在监视器上显示出光强曲线，并以之为对象进行测量而展开实验。LM99MP 具有分辨率高（微米级），实时采集、实时处理和实时观测，物理现象显著，物理内涵丰富等明显的优点。

一、实验目的

CCD 单缝衍射仪用于光学实验项目中作单缝、单丝、双缝、多缝、双光束等的干涉、衍射实验。通过采集系统实时获得曲线，测量其相对光强分布和衍射角，进而测量单缝的缝宽、单丝的直径、光源的波长、双缝的缝宽和缝间距、光栅常数、激光束发散角测量等。

二、实验原理

光的衍射现象是光的波动性的一种表现，可分为菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射两类。菲涅耳衍射是近场衍射，夫琅禾费衍射是远场衍射，又称平行光衍射。见图8。将单色点光源放置在透镜L1的前焦面，经透镜后的光束成为平行光垂直照射在单缝AB 上，按惠更斯--菲涅耳原理，位于狭缝的波阵面上的每一点都可以看成一个新的子波源，他们向各个方向发射球面子波，这些子波相叠加经透镜L2会聚后，在L2的后焦面上形成明暗相间的衍射条纹，其光强分布规律为：

2

20

sin ϕϕ

θI I = （1）

其中 ϕπ

λ

θ=a sin ，a 是单缝宽度，θ是衍射角，λ为入射光波长。

图1 单缝衍射

参见图2，由（1）式可见：

1、 当θ=0时，I I θ=0，为中央主极大的强度，光强最强，绝大部分的光能都落在中

央明纹上。 2、 当sin (,,)θλ

=

=±±K a

K 12 时，I θ=0，为第K 级暗纹。由于夫琅禾费衍射时，θ很小，有θ≈Sin θ，因此暗纹出现的条件为： θλ=

K a

（2） 3、从式（2）可见，当K=±1时，为主极大两侧第一级暗条纹的衍射角，由此决定了中央明纹的宽度 a

λθ20=

∆ 其余各级明纹角宽度

a

k λ

θ=

∆

所以中央明纹宽度是其它

各级明纹宽度的二倍。

4、除中央主极大外，相邻两暗纹级间存在着一些次

最大，这些次最大的位置

λ0

I I λ

λλ

三、实验装置

一套完整的LM99PC 由光具座、激光器、组合光栅、LM601CCD 光强分布测量仪和计算机数据采集盒（USB 接口），外加一套计算机组成，其中LM601 CCD 光强分布测量仪是核心部件。 （一）整套系统外形如图：

1．激光器： 小功率的半导体激光器；

2．组合光栅： 由光栅片和二维调节架构成，见图3，光栅片上有7组图形，见图4。 光栅片 上部 / 下部

第1组： 单缝（a=0.12mm ） / 单丝（0.12mm ） 第2组： 单缝（a=0.10mm ） / 单丝（0.10mm ）

第3组： 单缝（a=0.07mm ） / 双缝（a=0.07mm ，d=2） 第4组： 单缝（a=0.07mm ） / 双缝（a=0.07mm ，d=3） 第5组： 单缝（a=0.07mm ） / 双缝（a=0.07mm ，d=4） 第6组： 双缝（a=0.02mm ） / 三缝（a=0.02mm ，d=2） 第7组： 四缝（a=0.02mm ） / 五缝（a=0.02mm ，d=2）

d 为缝中心的间距与缝宽的比值。几组多缝结构安排是针对母国光等编《光学》P223~P227；P325~P331的教学内容所设计。

3．计算机数据采集盒：计算机数据采集盒用USB 接口与计算机相连。

4．CCD 光强分布测量仪：其核心是线阵CCD 器件。CCD 器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。LM601 CCD 光强仪所用的是线阵

CCD

图3 组合光栅

图 4 光栅片

器件，性能参数如下表。LM601CCD 光强仪机壳尺寸为150mm ×100mm ×50mm ，CCD 器件的光敏面至光强仪前面板距离为4.5mm 。

LM601 CCD 光强仪后面板各插孔标记含义如下，内部电路结构框图见图5，波形见图6：

“信号”：CCD 器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端。接电缆线红色插头。

“采样”：每一个脉冲对应于一个光电二极管，脉冲的前沿时刻表示外接设备可以读取光电管的光电压值，“采样”信号是供CCD 采集卡“采样”同步和供CCD 数显示波器作X 位置计数。此脉冲也可作为几何形状测量时的计数脉冲。接电缆线黄色插头。

“同步”：启动CCD 器件扫描的触发脉冲，主要供示波器X 轴外同步触发和采集卡同步用。

“同步”的含意是“同步扫描”。接电缆线蓝色插头。

图5： LM 系列CCD 光强仪内部电路结构框图

图6：CCD光强仪后面板各插孔输出波形

（二）安装和使用

1．安装：整套LM99MP的安装请参照图7和图8所示，实验系统最好按置在光具座上，

或磁性钟表座加铁板方式，也可按置在稳定的实验桌上。

图7 LM99MP安装图

用随机带的三根双插头线分别将CCD 光强仪后面板上的“信号”、“采样”、“同步”与SB14控制器上的“信号”、“采样”、“同步”一一对应插好；再将14″显示器上15芯D 型插头和电源插头插入SB14控制器后面的对应插座内（注意插入方向）。

2．使用：（1）电路连接检查

CCD 光强仪后面板上的“示波器／微机”开关拨向“示波器”，用纸挡住CCD 采光窗，让其不接受或只接受很弱的光。移动“SB14控制器”上的X 、Y 标志线旋扭，屏幕上的X 、Y 值会对应变化。

在使用中，如发现示波器上波形向一个方向滚动，一般是光强仪与SB14控制器上的“同步”这一条线没有插好；发现没有“X 值”显示（X=0000），一般是“采样”线没有插好；如Y 值始终是Y=0000，一般是“信号”这条线没有连接好。正确的图像见

图8 光强仪与SB14的连接

图9 SB14示波器屏幕截图