组合式光学实验

DHSO-1A组合式综合光学实验装置

（使用说明书）

请勿带走

实

验

讲

义

杭州大华科教仪器研究所

杭州大华仪器制造有限公司

基础综合光学

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。

【预备问题】

1.衍射现象出现的必要条件是什么简要描述产生衍射的物理机制。

2.单缝衍射缝宽改变时（增加或减小），衍射花样如何变化

3.双缝和多缝衍射的特点与单缝有何不同，导致衍射花样发生变化的机理是什么

4.光栅常数如何确定它与光谱仪器色分辨率有何关系

5.在本实验中测量圆孔衍射的光强分布要注意那些问题

6.光波是横波还是纵波由什么实验来确定

7.起偏器和检偏器的初始夹角，对本实验的测量结果有影响吗

8.平面偏振光通过λ/2波片时会出现什么现象

9.如何用波片产生圆偏振光和椭圆偏振光

10.透镜焦距如何测量测量方法有哪些

【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。

【仪器设备】

DHYH-2多功能物理测试系统一台；半导体激光器（650nm）和激光器电源一套；光电传感器一只；1米导轨一根；光具座4个；单缝衍射屏一个；可调单缝（带游标卡尺）；双缝衍射屏一个；圆孔衍射屏一个；光栅衍射屏一个；接收屏一个；起偏器一个；检偏器一个；1/4波片和1/2波片各一个；二维半自动扫描平台一个；不同焦距的透镜若干；小点光源一个；成像物体一个；专用数据传输连接线若干；卷尺一个；元件箱一个；综合光学系列实验的虚拟仪器软件一套和微机一台。

实验 1 单缝衍射实验的观测和研究

【实验目的】

观测单缝衍射现象，研究激光通过单缝形成的衍射图样的光强分布和规律。

【实验原理】

用散射角极小准直性很好的激光做光源，照在一个宽度可调的竖直单缝上，在离狭缝较远的距离放置一接收屏，改变缝宽可以在屏上观察到一组衍射图样，从（a ）到（d ）对应狭缝的宽度由大到小收缩变化，中心亮条纹由小到大向左右两侧水平展开，同时出现一系列明暗相间的结构，（如图.所示），它实际上就是夫琅和费衍射条纹。

图

不同宽度单缝的衍射图样

组合式综合光学实验仪

当光通过一狭缝时会产生衍射光，衍射图样中的极小值对应的角度由下式给出： ,...)3,2,1(sin ==m m a λθ （）

这里a 表示缝宽，θ表示图样中心到第m 级极小间的夹角，λ表示光的波长，m 表示级次见图所示。通常因为衍射角度较小，可以假设： θθtan sin ≈，根据三角关系有： D y =

θtan （） ,...)3,2,1(==m y D

m a λ （）

这里a 为狭缝宽度，m 为衍射级次，y 表示衍射中心到第m 级极小间的距离，D 表示从狭缝到光电传感器的距离，单缝衍射的如图所示。其光强分布的理论公式为：

2

20sin u u I I = （） 其中 λ

θπsin a u = 式中a 为单缝的宽度，λ为光的波长，θ为衍射角，0I 为正入射（即θ＝0）时的入射

光强，22sin u u 被称为单缝衍射因子，表征衍射光场内任一点相对光强（即0

I I ）的强弱。

图 实验观察到的单缝衍射的光强分布图

【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，进入综合光学单缝实验主界

面（如图所示），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）。

4、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。

图综合光学单缝衍射主界面