衍射光强试验书

1、SGS-3/3A4 型衍射光强实验系统使用说明书（5津）天津市港东科技发展有限公司SGS3/3A/4型衍射光强实验系统使用说明书平行光束通过单缝、多缝或圆孔等器件发生的衍射现象叫做夫朗禾费衍射。利用这套实验装置通 过对夫朗禾费单缝禾圆孔等衍射光强进行逐点测量，手绘衍射图样的光强分布曲线，不仅有助于 学生对光的波动性的理解，同时对相关实验技术和分析能力的培养方面也很有帮助。SGS-3A型还可以做光的偏振实验。1规格和主要技术指标1.1规格型号规格SGS-3SGS-3ASGS-4单色光源He-Ne激光器半导体激光器He-Ne激光器衍射器件可调单缝、多缝板、多孔板、光栅接收器件光能量指示仪（数显）光

2、传感器和光电流放大器（数显）白屏光具座1m硬铝导轨附加功能可兼做偏振光实验1.2主要技术指标型号技术指标SGS-3SGS-3ASGS-4光源功率和波长1.5mW,632.8nm-II （18I将此式代入式（2-3）,则& vv 1如果取I = 0.8m, a= 10-4m , X= 6.3 10-7m，贝U a2/8l入 2.5 -31故能满足上述条件。因此图 2-1 中的透镜可以省去。Po图2-36 / 10He-Ne激光束是高斯光束，但因发散角很小，常做平面波使用，例如图2-3的情形，衍射图样的暗点和各极强位置能够相当好地近似于理论分析的结果，所以可根据, 2xk ak = _2k 1 I

3、在测出I和缝宽a=AB之后计算波长。其中 x是中央极强与各极强的距离，k是各极强的级。有些配上适当透镜组的半导体激光器发散角不大，也能适用于本实验。2.2多缝夫朗禾费衍射设每条缝宽为a,相邻两缝中心距为 d,缝的数目为 N。在波长为 入光强为I0的光正入射多缝 板的条件下，冷“0（沁）2（叽）2u sin P（2-4）pnd sin 日其中人 ，与式（2-1）相比，除了共有的衍射因子”之外，多出一个 干涉因子”。这是由于各缝衍射光之间发生的干涉。干涉效应使接收屏上的能量重新分布，形成干涉条纹，但这些条纹又被单缝衍射因子调制，在强度分布上，要受到单缝衍射图样的支配。例如图2-4,当N=5, d=

4、 3a, 5缝衍射时，干涉因子的表现（b）受单缝衍射因子（a）的调制，而形成新的综合 分布（c）。因N = 5,在两个主极强之间出现3个次极强（相邻主极强间有N-2个次极强）；由于d= 3a,干涉因子第3级（k =3 ）主极大正好与单缝衍射的第一个暗纹重合，所以不能出现，形成缺级现象，同理，凡是k为3的整倍数处都缺级。sin9（X/dJ图2-42.3夫朗禾费圆孔衍射波长人强度10的光正入射一圆孔，接收屏上的光强分布经理论计算得1=1。2j（x）/x2, x =（冗D/ ）sin式中D为圆孔直径，Ji（x）是一阶贝塞耳函数（是一种特殊函数，详见数学手册）。下表列出的是这种同心圆形衍射图样光强分布

5、的极值位置与对应的贝塞耳函数的数值。x01.220 n1.635 n2.233 n2.679 n3.238 n2J1(x)/x2100.017500.004202.4偏振光的产生和检验光是电磁波，可用两个相互垂直的振动矢量电矢量E和磁矢量H表征。因物质与电矢量的作用大于对磁矢量的作用，习惯上称E矢量为光矢量，代表光振动。光在传播过程中遇到介质发生反射、折射、双折射或通过二向色性物质时，本来具有随机性的光 振动状态就会起变化，发生各种偏振现象。若光振动局限在垂直于传播方向的平面内，就形成平 面偏振光，因其电矢量末端的轨迹成一直线，通称线偏振光；若只是有较多的电矢量取向于某固 定方向，称作部分偏振

6、光。再者，如果一种偏振光的电矢量随时间作有规律的变动，它的末端在 垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆形，这种偏振光就是椭圆偏振光或圆偏振光。一般情况下，人的眼睛不能直接检查偏振光，但可用一个偏振器面对偏振光进行检视，这个 偏振器就成为检偏器。2.5马吕斯定律如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器 P上（图2-5）,只有相当yx于它的成份之一的 Ey （平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份Ex （=E cos 0则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A上的线偏振光的振幅为 E0，则透过A的振幅为E0 cos 0（这里0是P与A偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，

7、可知透射光强I随0而变化的关系为I = I 0 cos2 二这就是马吕斯定律。2.6布儒斯特角当光从折射率为n1的介质（例如空气）入射到折射率为n2的介质（例如玻璃）交界面，而入射角又满足% 二 tg 匹ni时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。iB称布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。显然，0B角的大小因相关物质折射率大小而异。若ni表示的是空气折射率，（数值近似等于1）上式可写成入射光反射光图2-62.7波片若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光轴，厚度为 d的晶片（图3-3）,此光因晶片的各向11 / 10异性而分图2-7裂成遵从折射定律的寻常光（o光）和不遵从折射定律的非常光（ e

8、光）。因o光和e光在晶体中 这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称做快轴和慢轴。设入射光振幅为A，振动方向与光轴夹角为0,入射晶面后o光和e光振幅分别为Asin 0和Acos B出射后相位差即 （n。 ne）d，o式中入0是光在真空中的波长，no和ne分别是o光和e光的折射率。这种能使相互垂直振动的平 面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。2.8椭圆偏振光和圆偏振光如果以平行于波片光轴方向为x坐标，垂直于光轴方向为y坐标，图3-3出射的o光和e光可用两个简谐振动方程式表示：y = A sin（t ；：用）该两式的合振动方程式可与成2 2Xy _A2eA2o2xy cos = sin2A

9、eA一般说来，这是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但是当即=2k二（k = 1、2、3 ）或= （2k - 1）-：（k= 0、1、2 ）时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。后一种情况，晶片厚度dn讥2可使o光和e光产生（2k+1）入/2的光程差，这样的晶片称做半波片，而当= （2k1）2（ k= 1、2、3）时，合振动方程化为正椭圆方程=12 2Ae A;（2k1） 这时晶片厚度n。-ne 4，称做1/4波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆偏振光。但是当入射光振动面与波片光轴夹角0= 45寸，Ae= Ao，合振动方程可写成x2 y2 = A2即获得圆偏振光。3器件简介3.1二维调节滑动座

10、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 于锁定滑动座在导轨上的位置。3.2移动测量架主要机构是一个百分鼓轮控制精密丝杠，使一个可调狭缝往复移动，并由指针在直尺上指示狭缝的位置，狭缝前后分别有进光管和安装光电探头的圆套管。鼓轮转动一周，狭缝移动1mm，所以鼓轮转动一个小格，狭缝（连同光电探头）只移动 0.01mm。3.3光传感器主要由Si光电探测器、衰减片和固定支架组成。 可用于相对光强测量， 在干涉、衍射和偏振实验 中都可以使用，波长范围：200-1050nm。3.

11、4 SGN-3型数显光电流放大器通过XS12K3P接插件（航空插头）与光传感器连接，可在与测量相对光强有关的实验中使用。 该仪器操作简便。前面板上除数字显示窗和开关外，只设一个增益调节旋钮。如遇较高光强超出 增益调节范围而溢出（窗口显示 “ 1”可酌加光阑或加大距离，以恢复正常显示。4实验4.1测绘夫朗禾费单缝衍射光强分布图4.1.1光路调节将激光管装入激光器架，移动光靶装在一个无横向调节装置的普通滑动座上，光传感器（或光功率计）的探头装在移动测量架上。先转动百分手轮，将测量架调到适当位置，并使移动光靶倒退，直到靶后的圆筒能够套在测量架的进光口上，再接通激光器电源，在沿导轨逐步移动光靶的过程

12、中，随时调节激光器架，使光点始终打在靶心上。在反复调节之后，取下光靶，将干版架固定在 距离硅光电池约 85cm的二维调节滑动座上，并夹紧可调狭缝。只要横向位置居中，缝宽适当， 缝体铅直，就能在测量架翻转向上的白屏上获得适合测量的夫朗禾费衍射图样。4.1.2测量将测量架上的白屏翻下来，并给光电流放大器接通220V电源。横向微调滑动座，在衍射狭缝左右移动的同时，观察数显示值，直到出现峰值暂停。按直尺和鼓轮上的读书和光电流放大器数字 显示，记下光电探头位置和相对光强数值后，再选定任意的单方向转动鼓轮，并且每转动0.1mm记录1次数据，直到测完 0-2级极大和1-3级极小为止。激光器的功率输出或光传感

13、器的电流输出有些起伏，属正常现象。使用前经10-20min预热，可能会好些。实际上，接收装置显示数值的起伏变化小于10 %时，取中间值作记录即可，对衍射图13 / 10样的绘制并无明显影响。4.2多缝和圆孔的夫朗禾费衍射基本方法与单缝衍射相同，可酌情安排补充练习。4.3数据处理4.3.1在一张毫米方格纸上选取部分测量数据作夫朗禾费衍射光强分布图（对称分布的一半）,sin B = k兀4.3.2根据式（2-1）,令1 = 0,求暗条纹位置：1=0时，sin u=0,即u = k兀或人，于是有asin日=也 （k= 1, 2）（4-1）据此对照实测图形，分析暗条纹的分布规律。4.3.3根据实验数据

14、和（4-1）式计算狭缝宽度。4.4马吕斯定律实验4.4.1先将半导体激光管固定在光具座的中部附近，使光束直射光传感器，记下与它连接的光电流放大器的数显窗口示值 10,再使激光束垂直通过两个偏振方向夹角B为零的偏振片后，进入光传感器，并记录光电流放大器的读数。转动其中一个偏振片，每当B改变10记录一次读数Ik（k= 1, 2, 3），直到偏振片转动一周为止。4.4.2以lk/10 （% max）表示相对光强，做纵坐标，以9度（deg）表示两个偏振片的角的位置，做横坐标，在毫米格纸上作图，以验证光强与起偏器夹角余弦平方的变化关系。4.5布儒斯特角实验4.5.1反射起偏振使半导体激光束通过狭缝入射到

15、离狭缝10多cm远与光电流放大器连接的光传感器上，记录读数10,再用光学测角台置换光传感器，使光束入射到立在测角台度盘直径上的黑玻璃镜上，并使擦 边光在白色度盘上显出光迹；同时用装在测角台上的光传感器接收反射光，并读取数显屏上的数 据，从入射角10。开始，转动测角台圆度盘， 每隔5。转动接收臂，记录一次光电流读数，直到85为止。用检偏器检查任意反射光束，都是部分偏振光。以反射偏振光的相对光强（）为纵坐标，以角度为横坐标作图，即得一反射偏振光强度与入射 角的关系曲线。4.5.2测定布儒斯特角按4.5.1所述方法读取10,再让激光束被立在测角台直径上的黑镜反射，通过转动臂上的检偏器 到达光传感器（图 4-1 ）。使检偏器的偏振方向水平，从入射角50。开始测量通过检偏器的光强，然后转动测角台以2。的间隔改变入射角，并且从反射方向测量和记录偏振光强。在56左右，要多取几个数据，继续测到62为止。所得数据中，通过检偏器后光强为零时的入射角就是布儒斯特角。用上述测量数据做曲线图时，以通过检偏器的相对光强（）为纵坐标，以角度为横坐标。激光器4光电探头接光电流放大器图4-14.6椭圆偏振光和圆偏振光的产生和检验在光具座上，让半导体激光束通过起偏器P （设偏振方向竖直）成为线偏振光，再通过光轴取任意方向的1/4波片Q,