衍射实验报告

单缝衍射光强分布研究 教学目的 1、观察单缝衍射现象，加深对衍射理论的理解；

2、学会使用衍射光强实验系统，并能用其测定单缝衍射的光强分

布； 3、形成实事求是的科学态度和严谨、细致的工作作风。 重点：

sgs-3型衍射光强实验系统的调整和使用 难点：1）激光光线与光电仪接收管共轴调节；2）光传感器增益度

的正确调整 讲授、讨论、实验演示相结合 3学时 一、实验简介 光的衍射现象是光的波动性的一种表现。衍射现象的存在，深刻说

明了光子的运动 是受测不准关系制约的。因此研究光的衍射，不仅有

助于加深对光的本性的理解，也是 近代光学技术（如光谱分析，晶体

分析，全息分析，光学信息处理等）的实验基础。 衍射导致光强在空间的重新分布，利用光电传感元件探测光强的相

对变化，是近 代技术中常用的光强测量方法之一。 二、实验目的

1、学会sgs-3型衍射光强实验系统的调整和使用方法；

2、观察单缝衍射现象，研究其光强分布，加深对衍射理论的理

解； 3、学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； 4、学会用衍射法测量狭缝的宽度。 三、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[single-slit diffraction]有两种：一种是菲涅耳衍射

[fresnel diffraction]，单 缝距离光源和接收屏[receiving screen]

均为有限远[near field]，或者说入射波和衍射波都 是球面波；另一

种是夫琅禾费衍射[fraunhofer diffraction]，单缝距离光源和接收屏

均为 无限远[far field]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[scattering angle]极小的激 光器(<0.002rad)产

生激光束[laser beam]， 通过一条很细的狭缝（0.1～0.3mm宽），在狭缝后大于0.5m的地方

放上观察屏，禾费衍射条纹，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-

fresnel principle]，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。

激光的方向性强，可视为平行光束。宽度为d的单缝产生的夫琅禾

费衍射图样 [pattern]，其衍射光路图满足近似条件： sin????x d

?d??d? 产生暗条纹[dark fringes]的条件是： （1） dsin??k? ?k??1,?2,?3,?? 暗条纹的中心位置为： x?k?d d

（2） 两相邻暗纹之间的中心是明纹次极大的中心[center of bright

fringes]。 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[intensity distribution of light]的规律为： 式中，d是狭缝宽[width]，?是波长 d

是单缝位置到光电池[photocelll] i(x) 如图2所示。 当?相同，即x到的光强相同的图样是平行于狭缝的条纹。当??0

时，

?10 12 x

10 图2 x x?0，i?i0，在整个衍射图样中，此处光强最强，称为中央主极大

[central main maximum]；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??k??k??1,?2,??，即x?k?d d

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?x可用k??1的两 条暗条纹间的间距确定，?x?2?d d

；某一级暗条纹的位置与缝宽d成反比，d大，x

小，各级衍射条纹向中央收缩；当d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[secondary maximum]明纹与中央明纹的相对光强分别为： （4） 2、衍射障碍宽度d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 d?k?d （5） x

因此，如果测到了第k级暗条纹的位置x，用光的衍射可以测量细缝

的宽度d。同 理，如已知单缝的宽度d，可以测量未知的光波长?。 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常用 方法。 当在小孔屏位置处放上硅光电 单缝 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

的大小就与落在硅光电池上的光强成正比，实验装置如图3所示。 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。 四、实验仪器 sgs-3型衍射光强实验系统：①单色光源：he?ne激光器；②衍射器

件：可调单 缝、多缝板、多孔板、光栅；③接收器件：光传感器、光

电流放大器、白屏；④光具座： 1m硬铝导轨。 附1：二维调节滑动座 这是光具座上使用的一种有特殊装置的滑动座，4个旋钮分列两

侧，其中一侧有3 个，上方的用于调节光学器件（如狭缝）在竖直平面

内的转角，使器件铅直，中间的用 于横向调节；下面的用于锁定滑动