中国计量学院实验报告
课程名称:《光电基础实验》
实验项目:CCD单缝衍射实验
实验时间:2007.11.06
一、实验目的:
应用CCD单缝衍射仪作光学实验项目中单逢,双逢,多逢,双光束等的干涉,衍射实验.在电脑屏幕上实时显示曲线全貌,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.
二、实验内容与原理:
1. 实验原理:
光的衍射现象是光的波动性的一种表现,可分为菲涅耳衍射击与夫琅和费衍射两类。菲涅耳衍射是近场衍射,夫琅和费衍射是远场衍射,又称平行光衍射。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:
(1)
其中 ,a是单缝宽度,θ是衍射角,为入射光波长。
由(1)式可见:
a) 当时,,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。
b) 当时,为第K级暗纹。由于夫琅禾费衍射时,θ很小,有θsinθ,因此暗纹出现的条件为:
(2)
c. 从(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,其余各级明纹角宽度 ,所以中央明纹宽度是其它各级明纹宽度的二倍。
2. 实验内容:
a. 将实验系统安置在光具座上,并调整到相同高度。使激光器和单缝的距离尽量远一些,激光器前的小孔光澜的孔尽可能小一些,将激光束的大部分“高频”成分滤除。单缝的CCD光强仪之间的距离尽可能满足原场条件。(首先调节光源,减光器,光强仪的位置,调整至光线可以很好的射入CCD光强仪前端的采光窗口,然后在减光器和光强仪之间放入组合光栅,利用白纸调整光所对的光栅片,使光线可以进行相对要求的衍射。)
b. 将“CCD光强仪”与“SB14控制器”以及显示器连接。(实际操作时已连接)
c. 检查电路连接
调整光路。曲线对称调节,显示器看到图形左右不对称主要是各光学元件的几何关系没有调好引起的。观察从缝上反射的衍射光,应在激光出射孔附近,调节单缝的平面和激光束垂直(调节缝和光强仪采光窗的水平方向垂直。)
曲线削顶调节:转动减光器,增大减光量。
曲线顶部凹陷调节:主要是单缝的黑度不够,有漏光现象。
曲线不圆滑漂亮:可能是缝的边缘不直或刀口上有尘埃或是光强仪采光窗上有尘埃,可左右移动光强仪寻找较好的工作区间。
d. 测量数据。移动光标,读取衍射曲线上的几个特殊点的各值。
e. 观察研究双缝干涉和多缝干涉的现象。
三、实验器材:
光具座,激光器,减光器,组合光栅片,LM501 CCD光强分布测量仪,计算机
四、实验结果:
Z=51.65cm 背景强度 225 0.54
五、实验结果分析:
一,产生实验误差的原因有1.实验室里有背景光存在,对光强有影响2.光束和接受器,光栅不在一直线上,3人为读数,操作方面产生4。仪器精确度不够
二,在做多光栅(N条光栅)实验时,可看到在两主级大亮纹之间有N-2次级大,有N-1暗纹
三,由于实验仪器对光非常灵敏,所以细微光强都会影响结果,所以实验在黑暗条件下做的
六、思考题:
1. 实验过程中,光栅片与接收屏之间要满足什么条件?为什么?
答:夫琅禾费衍射的条件是光源在无限远,但实际是无法到达的,所以光栅片与接收屏之间的距离要尽可能满足远场条件,即。
2. 单缝和单丝衍射图样完全相同吗?
答:不完全相同。因为单丝衍射是光只在这条缝上不能通过,而单缝衍射是光只能透过一条缝。只有自由光场为0时,单缝和单丝的衍射图样才会完全相同。即除中心点外,单缝和单丝衍射图样的强度分布相同。
七、教师批改评语:
成绩(百分制):
第二篇:实验6 单缝衍射
实验6 单缝衍射的相对光强分布
【实验目的】
1. 观察单缝的夫琅和费衍射现象及用光电元件测量其相对光强分布
2. 由单缝衍射相对光强分布曲线计算狭缝宽度
【仪器用具】
光具座、He-Ne激光器、减光片、可调单缝、光电池、光点检流计、测距机构。
【原理概述】
光的衍射是光的波动性的基本特征之一,在光谱分析、晶体分析、全息技术、光信息处理等精密测量和近代光学技术中,衍射已成为一种有力的研究手段和方法。
光在传播过程中遇到尺寸接近于光波长的障碍物时(如狭缝、小孔、细丝等),发生偏离直线路径的现象,称为光的衍射。光的衍射现象通常分为两类,一类是菲涅尔衍射,一类是夫琅和费衍射。菲涅尔衍射指障碍物与光源和衍射图样的距离分别为有限远的情况。夫琅和费衍射指障碍物与光源和衍射图样的距离均为无限远的情况,亦即入射光和衍射光都是平行光束,也称平行光束的衍射。
图 1
单缝夫琅和费衍射如图1所示。光源S置于透镜L1的焦面上,出射后变成平行光束垂直射到宽为狭缝D上。根据惠更斯-菲涅尔原理,狭缝上各点可以看成是新的波源,由这些点向各方发出球面次波,这些次波在透镜L2的后焦面上叠加形成一组明暗相间的条纹,按惠更斯-菲涅尔原理,可以导出屏上任一点处的光强为:
(1)
式中为狭缝宽度,为入射光波长,为衍射角,称为主极强,它对应于P0处的光强。
根据上式可以作出光强分布曲线如图2。
从曲线上可以看出:
① 当,光强有最大值,称为主
极大,大部分能量落在主极大上。
② 当()
时,,出现暗条纹,因角很小,可以
近似认为暗条纹在的位置上,可见,
主极强两侧暗纹之间的角距离,而
其他相邻暗纹之间的角距离均相等()。
③ 两相邻暗纹之间都有一个次极大,这些
极大的位置和相对强度列表如下,可以看到相邻 图 2
两次极大之间的距离并不相等。
【实验中的一些问题】
1.满足夫琅和费衍射条件的讨论
在实验中,我们可以不用透镜L1,L2(图1),而获得夫琅和费衍射图样。
因激光束的发射角很小(毫弧度),而且单缝的宽度也很小,所以用激光束直接照射狭缝,可认为是平行光入射,而撤去透镜L1。
另外,只要接收屏与狭缝的距离满足,即可撤去透镜L2,而直接在屏上观察到夫琅和费衍射条纹。下面导出这一条件:
如图3,P0为衍射角的一点,对于夫琅和费衍射来说,要求缝上各点发出的次波到P0时均有相同的光程,显然,只有把屏移到
无穷远才能真正满足。实际上,只要
与的差远远小于一个波长,就可满
足条件。
( (2)
因,可得 图 3
即有:
(3)
在实验中,nm,缝宽cm,m。同学们可以检验是否满足条件(3)式。
2.光电接收元件的光电流与光强的关系
图 4
实验中,我们用半导体光电池作为接收元件,以光电流的大小来反映光强。因此,只有在光电流与光强成线性关系的条件下,我们才能以光电流的强度来表示光的相对强度。
我们知道,在点光源的光场中,在某一点处的光强和它与光源的距离的平方成反比。因此,改变光电池与光源的距离,测量出相应的光电流,则由的关系曲线,便可确定光电池是否工作在线性区域。
硒光电池的结构如图4:
当受光照时,由于半导体的内光电效应,产生了一个电位差,其本身可视为一个电流发生器,在电路内不需加外电压。它的光谱灵敏度和眼睛在白天的视见度大致一样,所以用途较广。
光电池有一反向电流:称为暗电流,应把它从测量结果中作为背景而扣除。
【实验内容】
1. 测定单缝衍射的相对光强分布
激光器、可调狭缝、光探头、观察屏等统称为光学元器件。激光器、观察屏安装在一维磁性底座上,狭缝、光探头安装在二维磁性底座上。按图5在光具座上放置各元件,取m。光电池盒装在一个移测显微镜的测距机构上,所以光电池P可以沿方向移动,这就是相当于改变衍射角。我们在光电池前面还装了一个狭缝,以保证比较准确地测量任一位置的光强。
(1)粗调
① 点燃激光器,取工作电
流5mA左右。一般在点燃半小时
后测量,以保证光强的稳定性。
先只摆放激光器和观察屏,调节
激光器底座,让激光束打在观察 图 5
屏上。屏上光点高度与激光器出光口高度一致,在水平面上确定一基准光路。将底座的开关拨至“on”。
② 摆上可调狭缝,狭缝沿竖直方向放置,与激光器出光口的距离不大于10cm。沿X 方向移动狭缝底座,使光束从狭缝穿过,观察屏上出现光斑或条纹,且条纹落在与光探头进光狭缝垂直的水平线上。
③ 调节狭缝底座上的螺杆,使光斑或条纹最亮。将底座的开关拨至“on”。
④ 调节狭缝宽度,使条纹中心亮纹的宽度约为5mm。
⑤ 放上光探头,探头尽可能靠近观察屏,使图5 中的Z 值尽可能大。沿X 方向移动光探头,使光探头读数最大。将底座的开关拨至“on”。
至此,所有光学元器件底座的开关都拨至“on”的位置,粗调结束。
(2)细调
分别调节狭缝底座的平移螺杆、光探头底座的平移螺杆和垂直调节旋钮,使得光功率读数最大,上述任何一个旋钮改变,读数都变小。该最大值就是衍射条纹主极大的光强。
要求最大值读数在100~160μW 之间,如若不符合要求,则可以调节狭缝的宽度,再按上述方法进行一次细调。
(3)测量衍射条纹的光强
① 测量前先用黑纸遮挡光探头,对光功率读数进行调零。
② 调节光探头底座平移螺杆,在X 方向上每隔0.1~0.3mm 测一次光强(具体间隔由学生根据光强读数变化的快慢自行调整)。从主极强一直测到第三条暗纹。由于条纹的对称性,单边测量即可。
(4)记录光学元器件的位置
(5)作出关系曲线,将各个次极大的与理论结果进行比较,并由下面作出的曲线来分析其比较结果。
(6)由暗纹公式计算狭缝宽度。
2. 检测光功率计的读数与入射光强的线性关系
光源采用白炽灯,光探头初始位置离白炽灯出光口的距离不小于10cm,初始光强读数不小于实验1 主极大的读数。
逐渐增大光探头与光源的距离,直至探头尽可能靠近观察屏。每隔5cm测一次光强。每个位置读数前都必需在X 和Y 方向上微移光探头,使光强读数最大。
作出曲线,讨论是否线性。
【思考题】
1. 当缝宽增加一倍时,衍射花样的光强和条纹的宽度将会怎样改变?如缝宽减半。又怎样改变?
2. 检查光电池工件线性时,能否用激光光源?
3. 使用光电池应注意那些问题?光电池进光狭缝的宽度对实验结果有何影响?
4. 如何正确使用光点检流计?如何根据检流计光点的偏转来合理地选择量程?
【实验数据记录】 表1
表2
附录
直流复射式光点检流计
一、 结构原理
AC15型直流检流计属于磁电式结构,它的工作原理是基于导电线圈与磁场的相互作用。如图一中,活动线圈放置在软铁制成的铁芯及永久磁铁中间。当外电路有电流经拉丝通过线圈时,线圈便产生磁矩而偏转,偏转的角度由电流和拉丝的反作用力矩所决定。此偏转角度由标度盘上的光点指示来读出。
图一中的球面反射镜M1,固定反射镜M3,反射镜M2组成一反射光路系统,使它们有可能在一个体积较小的机壳内制成高灵敏度的检流计。
检流计设有分流器,共有三档,X0.01档的灵敏度最小,它把输入的讯号衰减100倍;X0.1档的灵敏度次之,它把输入讯号衰减10倍;X1档的灵敏度最高。
二、 使用方法
(1) 根据使用项目的要求选择检流计,使检流计的分度值适合测量实际需要;并使它的外临界电阻接近于测量电路的电阻。
(2) 接通电源时,应使电源开关所指示的位置与电压值一致,特别注意不要把220V电源插入6V插座内。接通电源后,检查一下小灯泡是否点亮。
(3) 如标度盘上找不到光点影像时,可将分流器开关置于“直接”档,并轻拍一下检流计,如有光点影像掠扫,则可调节零点调节钮,将光点调至标度盘上。注意,当调节钮顺时针旋转时,光点往左移,反时针旋转时,光点往右移。
(4) 零点调节
当有光点在标度盘上后,便可进行零点调节。实验中我们多数采用光电池检流计来测量光强。它的接收线路如图二。当光电池受光照射时,回路中产生电流。此电流驱动检流计的可动线圈,使之偏转。我们以偏转的格值来反映相对光强的大小。因此,使用前应先进行零点调节。
考虑到光电池存在着暗电流,我们想让此暗电流在检流计调零时便被扣除掉,以免影响测量结果。方法如下:
接通开关K,在光电池不受光照的情况下,调节检流计的零点调节钮使光点的指示处在左边“50”的刻度上(标度盘上的零点调节栓可细调)。我们以这刻度作为零点,那么图二中B处的读数应为40格。
注意,检流计换档使用时,零点会漂移,此时应重新调零。
(5) 测量时,应从检流计的最低灵敏度档(X0.01)开始。如果偏转不大,则可逐步转到X0.1档或者X1档。X0.01档把实际电流衰减了100倍,X0.1档把电流衰减了10倍,因此读取的数据应X100和X10。
(6) 在测量中当检流计指示摇晃不定时,可用“短路”档使检流计受阻尼。同时,在改变电路,使用结束时,应将检流计短路,将分流器开关置于“短路”位置。