华中科技大学物理光学小组作业_衍射及透镜焦点附近光场

物理光学小组作业
课题：衍射及透镜焦点附近光场班级：
成员：
1. 衍射效应：
（1） 概念：
衍射（diffraction ），是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。

光在传播过程中若遇到尺寸比光的波长大得不多的障碍物时，光会偏离直线传到障碍物的阴影区并形成明暗变化的光强分布，这种光束偏离几何光学预计的直线传播的现象即称为衍射现象。

衍射三个要素：
光源、衍射物体、观察屏
（2） 现象：
图 1.衍射模型简图
（3） 特点：
图 2.衍射现象图示
①光束在衍射屏上的某一方位受到限制，则远处屏幕上的衍射强度就沿该方向扩展开来。

②若光孔线度越小，光束受限制得越厉害，则衍射范围越加弥漫。

理论上表明光孔横
向线度ρ与衍射发散角Δθ之间存在反比关系：
ρΔθ≈λ
当光孔线度远远大于光波长λ时，衍射效应很不明显，近似于直线传播。

当光孔线度逐渐变小，衍射效应逐渐明显，在远处便出现亮暗分布的衍射图样。

当光孔线度小到可以同光波长相比拟时，衍射效应极为明显，衍射范围弥漫整个视场，过渡为散射情形。

（4）衍射类型：
通常根据衍射系统中光源、衍射物体、观察屏三者相互距离的大小，将衍射现象分为两类，一类称为菲涅尔衍射，另一类称为夫琅禾费衍射。

a)菲涅尔衍射
所谓菲涅耳衍射，就是当光源到衍射屏的距离或接收屏到衍射屏的距离不是无限大时，或两者都不是无限大时所发生的衍射现象。

可见在菲涅耳衍射中，入射光或衍射光不是平行光，或两者都不是平行光。

b)夫琅禾费衍射
所谓夫琅禾费衍射，就是当光源到衍射屏的距离和接收屏到衍射屏的距离都是无限大时，所发生的衍射现象。

可见在夫琅禾费衍射中入射光和衍射到接收屏上任意一点的光都是平行光（实验中常用透镜达到此要求）。

2.设计实验：
（1）观察透镜焦点的光强分布：
a)实验原理：
实验装置图如下图 3 所示，利用 CCD 来探测透镜焦点处的光强分布情况。

激光源
发出一束平行光，其中，在透镜前加入孔阑限制光束的直径，限制光束直径，从而更
容易观测到爱里斑。

在CCD 前加入两片线偏振片作为消光片，通过消光片削弱从
透镜聚焦到CCD 的光强，防止光强过强而超出 CCD 的接收光强使图样对比度下
降而达不到实验预期图样。

图 3.观察透镜焦点光强分布情况实验装置图
b)实验步骤：
1）调整激光源，孔阑中心，透镜中心处于同一水平线且同轴；
2）利用光屏确定透镜焦点位置，并将 CCD 置于透镜焦点位置；
3）在 CCD 前放置消光片，改变消光片中两偏振片的偏振方向夹角，使 CCD 上所成图样变得足够清晰即可。

c) 实验结果分析：
图 4. 透镜焦点光强分布情况实验图，由左向右依次增大孔阑半径
在透镜焦平面上出现爱里斑，爱里斑的中央零级亮斑的亮度明显大于一级亮环，且随着孔阑的放大，爱里斑直径不断变小，同时由于通过孔阑的光强增强，使得能够显示的衍射图样的级数也越高。

这些也正展示了圆孔衍射的爱里斑直径与圆孔直 径的反比关系，以及由焦点衍射光强分布公式得出的 sinc 函数式的光强分布形式。

d) m atlab 仿真：
图 5.爱里斑 matlab 仿真图样
（2） 验证焦点前后有π的相位突变：
a) 实验原理：
为验证焦点前后有π的相位突变，由于衍射光强分布并不包含相位项，采用。