光的縫孔衍射PPT課件

1、光光 的的 縫縫 孔孔 衍衍 射射目錄目錄 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 目目 的的 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 原原 理理 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 儀儀 器器 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 內(nèi)內(nèi) 容容 注注 意意 事事 項(xiàng)項(xiàng)實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 目目 的的觀察衍射現(xiàn)象觀察衍射現(xiàn)象研究衍射的光強(qiáng)分布情況研究衍射的光強(qiáng)分布情況學(xué)會(huì)用光電探測(cè)器（學(xué)會(huì)用光電探測(cè)器（CCD）對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量）對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量利用夫瑯和費(fèi)衍射的分布規(guī)律實(shí)現(xiàn)微小長(zhǎng)度利用夫瑯和費(fèi)衍射的分布規(guī)律實(shí)現(xiàn)微小長(zhǎng)度的測(cè)量（計(jì)算縫的寬度或入射光波長(zhǎng)等）的測(cè)量（計(jì)算縫的寬度或入射光波長(zhǎng)等）返回返回實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 原原 理理光的衍射分為菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射。光的衍射分為菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射。菲涅耳衍射菲涅耳衍射

2、(近場(chǎng)衍射近場(chǎng)衍射)：衍射物與光源和接收屏的間距為：衍射物與光源和接收屏的間距為 有限遠(yuǎn)。有限遠(yuǎn)。夫瑯和費(fèi)衍射夫瑯和費(fèi)衍射(遠(yuǎn)場(chǎng)衍射遠(yuǎn)場(chǎng)衍射)： 衍射物與光源和接收屏的距衍射物與光源和接收屏的距 離都是無(wú)窮遠(yuǎn)。離都是無(wú)窮遠(yuǎn)。 在實(shí)驗(yàn)室條件下，用激光作為光源在實(shí)驗(yàn)室條件下，用激光作為光源(激光的光束細(xì)、激光的光束細(xì)、 方向性好、亮度高，可看作是平行光方向性好、亮度高，可看作是平行光)，將觀察屏放在較，將觀察屏放在較 遠(yuǎn)處遠(yuǎn)處(使其與縫的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縫寬使其與縫的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縫寬)，就可以滿足夫瑯，就可以滿足夫瑯 和費(fèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。和費(fèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。夫瑯和費(fèi)單縫衍射：夫瑯和費(fèi)單縫衍射：縫寬縫寬a P0

3、點(diǎn)位于光軸上，是中央亮紋的中心，其光強(qiáng)為點(diǎn)位于光軸上，是中央亮紋的中心，其光強(qiáng)為I0；與光軸成；與光軸成角的衍射光束落在角的衍射光束落在P點(diǎn)，夫瑯和費(fèi)單縫衍射光強(qiáng)分布規(guī)律為：點(diǎn)，夫瑯和費(fèi)單縫衍射光強(qiáng)分布規(guī)律為：220sinuuII sinau 根據(jù)光強(qiáng)分布規(guī)律可知：根據(jù)光強(qiáng)分布規(guī)律可知：（1）u=0 , 即衍射角即衍射角=0時(shí)，時(shí)，P處的光強(qiáng)處的光強(qiáng)I=I0為最大值，稱中央主極大。為最大值，稱中央主極大。（2）u=k , 即衍射角即衍射角滿足滿足 asin= =k k ( ) ( ) 時(shí)，時(shí)，I=0I=0為極小值，即為極小值，即P P處處出現(xiàn)暗紋。出現(xiàn)暗紋。k k為級(jí)次。為級(jí)次。角很小，第角很

4、小，第k k級(jí)暗紋所對(duì)應(yīng)的衍射角可表示為：級(jí)暗紋所對(duì)應(yīng)的衍射角可表示為： ( ) ( ) 若第若第k k級(jí)極小值與中心點(diǎn)級(jí)極小值與中心點(diǎn)P P0 0的距離為的距離為x xk k , ,則第則第k k級(jí)暗紋所對(duì)應(yīng)的衍射角為級(jí)暗紋所對(duì)應(yīng)的衍射角為 ： （ ）（3 3） 時(shí)，中央主極大兩側(cè)暗紋間的角寬度時(shí)，中央主極大兩側(cè)暗紋間的角寬度( (中央亮紋的角寬度中央亮紋的角寬度) )為：為： 其他任意相鄰暗紋間的角寬度為其他任意相鄰暗紋間的角寬度為 ：,3,2,1kak sin, 3, 2, 1kakLxk,3,2,1kaLxx211a1k（4）次極大值的位置在）次極大值的位置在 處，其相對(duì)光處，其相對(duì)光

5、強(qiáng)強(qiáng)I/I0依次為依次為0.047，0.017，0.008，。夫瑯和費(fèi)單縫衍射圖樣的特點(diǎn)：夫瑯和費(fèi)單縫衍射圖樣的特點(diǎn)： 中央主極大亮紋寬度是各級(jí)次極大亮紋寬度的兩倍；中央主極大中央主極大亮紋寬度是各級(jí)次極大亮紋寬度的兩倍；中央主極大兩側(cè)的各級(jí)極小是等間隔的、次極大是不等間隔的；絕大部分光能兩側(cè)的各級(jí)極小是等間隔的、次極大是不等間隔的；絕大部分光能落在中央亮紋上。落在中央亮紋上。中央主極大兩側(cè)一級(jí)極小的間隔：中央主極大兩側(cè)一級(jí)極小的間隔： L：縫與接收屏（：縫與接收屏（CCD光敏面）的距離光敏面）的距離aLxxx211,47. 3,46. 2,43. 1u夫瑯和費(fèi)多縫衍射：縫寬夫瑯和費(fèi)多縫衍射：

6、縫寬a a，縫距，縫距a+ba+b（中間不透（中間不透光部分的寬度為光部分的寬度為b b）。）。1 1夫瑯和費(fèi)雙縫衍射：?jiǎn)慰p衍射調(diào)制的雙縫干涉；雙縫衍射的相對(duì)夫瑯和費(fèi)雙縫衍射：?jiǎn)慰p衍射調(diào)制的雙縫干涉；雙縫衍射的相對(duì)光強(qiáng)是單縫衍射光強(qiáng)因子與雙縫干涉光強(qiáng)因子的乘積。光強(qiáng)是單縫衍射光強(qiáng)因子與雙縫干涉光強(qiáng)因子的乘積。 其中：其中： ， 相鄰的亮紋（或暗紋）的間隔為：相鄰的亮紋（或暗紋）的間隔為： L L：縫與接收屏（：縫與接收屏（CCDCCD光敏面）的距離光敏面）的距離 ， k k：級(jí)次：級(jí)次vuuII2220cossinbaLxxxkk1sinau sinbav 2夫瑯和費(fèi)夫瑯和費(fèi)N縫衍射：?jiǎn)慰p衍射

7、調(diào)制的縫衍射：?jiǎn)慰p衍射調(diào)制的N縫干涉；縫干涉；N縫衍射的相對(duì)縫衍射的相對(duì)光強(qiáng)是單縫衍射光強(qiáng)因子與光強(qiáng)是單縫衍射光強(qiáng)因子與N縫干涉光強(qiáng)因子的乘積。相鄰縫干涉光強(qiáng)因子的乘積。相鄰的的主極主極大亮紋之間有大亮紋之間有N - 1- 1條暗紋。相鄰暗紋之間有一個(gè)次極大，即相鄰條暗紋。相鄰暗紋之間有一個(gè)次極大，即相鄰的的主極大之間有主極大之間有N 2 2個(gè)次極大。個(gè)次極大。相鄰的主極大亮紋的間隔：相鄰的主極大亮紋的間隔：L：縫與接收屏（：縫與接收屏（CCD光敏面）的距離光敏面）的距離 k：級(jí)次：級(jí)次3夫瑯和費(fèi)多縫衍射的干涉極大若出現(xiàn)在衍射極小的位置上時(shí)，夫瑯和費(fèi)多縫衍射的干涉極大若出現(xiàn)在衍射極小的位置上時(shí)

8、，合光強(qiáng)為零，干涉極大消失，出現(xiàn)缺級(jí)現(xiàn)象：缺級(jí)出現(xiàn)的級(jí)次為：合光強(qiáng)為零，干涉極大消失，出現(xiàn)缺級(jí)現(xiàn)象：缺級(jí)出現(xiàn)的級(jí)次為：4光柵：平行、等寬且等間距的多狹縫。光柵衍射：狹縫的數(shù)目光柵：平行、等寬且等間距的多狹縫。光柵衍射：狹縫的數(shù)目增加時(shí)，衍射圖樣的主極大亮條紋變細(xì)變亮，次極大數(shù)目增多，光增加時(shí)，衍射圖樣的主極大亮條紋變細(xì)變亮，次極大數(shù)目增多，光強(qiáng)減弱；通常光柵的狹縫數(shù)都是很大的，因此，次極大光強(qiáng)很弱，強(qiáng)減弱；通常光柵的狹縫數(shù)都是很大的，因此，次極大光強(qiáng)很弱，實(shí)際上是觀察不到的。實(shí)際上是觀察不到的。baLxxxkk1aba 夫瑯和費(fèi)孔的衍射的相對(duì)光強(qiáng)夫瑯和費(fèi)孔的衍射的相對(duì)光強(qiáng)1 1矩孔矩孔衍射衍射

9、: :矩孔的邊長(zhǎng)分別為矩孔的邊長(zhǎng)分別為a a1 1和和a a2 2時(shí)，時(shí)，夫瑯和費(fèi)夫瑯和費(fèi)矩孔矩孔衍射的衍射的光光強(qiáng)分布公式為：強(qiáng)分布公式為： ， ，矩孔矩孔衍射是兩個(gè)單縫衍射因子的乘積。衍射是兩個(gè)單縫衍射因子的乘積。若矩孔的某個(gè)邊很大，如若矩孔的某個(gè)邊很大，如a a2 2, ,則則2 20 0。矩孔過渡為矩孔過渡為單縫，單縫，衍射條紋只分布在與縫衍射條紋只分布在與縫垂直的一垂直的一條線上，即單縫是拉長(zhǎng)了的條線上，即單縫是拉長(zhǎng)了的矩孔。矩孔。（求（求矩孔的邊長(zhǎng)矩孔的邊長(zhǎng)可參考單縫衍射）可參考單縫衍射）2 2圓孔衍射圓孔衍射: :激光激光垂直垂直照射照射衍射屏上的小圓孔時(shí)，衍射圖樣由中央圓衍射屏

10、上的小圓孔時(shí)，衍射圖樣由中央圓形亮斑以及外圍的一些形亮斑以及外圍的一些明暗相間的同心圓環(huán)組成。明暗相間的同心圓環(huán)組成。 3 3雙圓孔衍射雙圓孔衍射: :圓孔衍射調(diào)制的雙光束干涉。（求圓孔衍射調(diào)制的雙光束干涉。（求孔孔距可參考雙縫衍距可參考雙縫衍射）射）222221120sinsinuuuuII111sinau 222sinau 返回返回實(shí) 驗(yàn) 儀 器示波器示波器CCDCCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器激光器可調(diào)減光器可調(diào)減光器觀察屏觀察屏二維調(diào)節(jié)架二維調(diào)節(jié)架衍射片衍射片直尺直尺 LM601 LM601型型CCDCCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x簡(jiǎn)介光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x簡(jiǎn)介L(zhǎng)M601LM601型型

11、CCDCCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x用線陣光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x用線陣CCDCCD器件作探測(cè)器，通過自動(dòng)掃描，器件作探測(cè)器，通過自動(dòng)掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)變化的光強(qiáng)信號(hào)波形的采集。使照射到實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)變化的光強(qiáng)信號(hào)波形的采集。使照射到 CCDCCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x采光窗上的光強(qiáng)分布，從按空間位置變化的函數(shù)轉(zhuǎn)換為按時(shí)間變化的函采光窗上的光強(qiáng)分布，從按空間位置變化的函數(shù)轉(zhuǎn)換為按時(shí)間變化的函數(shù)，并變成與光強(qiáng)成線性關(guān)系的模擬電壓信號(hào)輸出。信號(hào)波形可輸入示數(shù)，并變成與光強(qiáng)成線性關(guān)系的模擬電壓信號(hào)輸出。信號(hào)波形可輸入示波器以顯示光強(qiáng)分布的波形曲線，方便地進(jìn)行測(cè)量。波器以顯示光強(qiáng)分布的波形曲線，方便地進(jìn)行測(cè)量。LM601

12、LM601型型CCDCCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x進(jìn)行電掃描的線陣光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x進(jìn)行電掃描的線陣CCDCCD器件有器件有25922592個(gè)光敏元，個(gè)光敏元，光敏元中心距光敏元中心距1111m m ，因此，光敏元線陣有效長(zhǎng)為，因此，光敏元線陣有效長(zhǎng)為11112592 2592 m m ；光；光敏面至儀器前面板距離為敏面至儀器前面板距離為4.5 4.5 mm mm 。當(dāng)當(dāng)LM601LM601型型CCDCCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x與示波器配接時(shí)，光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x與示波器配接時(shí)，開關(guān)開關(guān)打在打在“示波器示波器”位位置，光強(qiáng)分布曲線即可在示波器上實(shí)時(shí)顯示。在水平方向上，兩掃描標(biāo)置，光強(qiáng)分布曲線即可在示波器上實(shí)時(shí)顯示。在水平

13、方向上，兩掃描標(biāo)志內(nèi)沿線的間隔即為示波器上顯示的有效掃描時(shí)間，對(duì)應(yīng)于光敏元線陣志內(nèi)沿線的間隔即為示波器上顯示的有效掃描時(shí)間，對(duì)應(yīng)于光敏元線陣有效長(zhǎng)，則有有效長(zhǎng)，則有 在豎直方向上，通過信號(hào)電壓的大小來反映光強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)弱，但應(yīng)以環(huán)在豎直方向上，通過信號(hào)電壓的大小來反映光強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)弱，但應(yīng)以環(huán)境光強(qiáng)為測(cè)量光強(qiáng)的零點(diǎn)。境光強(qiáng)為測(cè)量光強(qiáng)的零點(diǎn)。掃描標(biāo)志內(nèi)沿線間隔）有效掃描時(shí)間）（光敏元線陣有效長(zhǎng)掃描時(shí)間采樣長(zhǎng)度(m259211txeetl衍射片衍射片：小衍射片小衍射片大衍射片大衍射片矩孔矩孔雙孔雙孔1雙孔雙孔2雙孔雙孔3光柵光柵雙縫雙縫1雙縫雙縫2雙縫雙縫3多縫多縫多縫多縫多縫多縫單縫單縫1單縫單縫2

14、單縫單縫3返回返回實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 內(nèi)內(nèi) 容容1 1調(diào)整光路調(diào)整光路打開電源開關(guān)，利用白屏打開電源開關(guān)，利用白屏作為作為觀察觀察屏屏，調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)激光器、激光器、減光器、縫、減光器、縫、CCDCCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x的采光窗等高共軸。光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x的采光窗等高共軸。2 2調(diào)節(jié)光強(qiáng)分布曲線調(diào)節(jié)光強(qiáng)分布曲線打開打開示波器和示波器和CCDCCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x的開關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)減光器并仔細(xì)微調(diào)光光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x的開關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)減光器并仔細(xì)微調(diào)光路，使衍射的光強(qiáng)分布曲線盡可能左右對(duì)稱。路，使衍射的光強(qiáng)分布曲線盡可能左右對(duì)稱。3 3單縫衍射單縫衍射觀測(cè)總結(jié)單縫衍射的特點(diǎn)和規(guī)律，求縫寬。觀測(cè)總結(jié)單縫衍射的特點(diǎn)和規(guī)律，求縫寬。4 4多縫衍射多縫衍射 觀察雙縫衍射現(xiàn)象，求縫距和縫寬；觀察多縫衍射現(xiàn)象，求縫距。觀察雙縫衍射現(xiàn)象，求縫距和縫寬；觀察多縫衍射現(xiàn)象，求縫距。5 5孔和光柵的衍射孔和光柵的衍射 觀察觀察矩孔、矩孔、雙圓孔和光柵的衍射現(xiàn)象，求雙圓孔和光柵的衍射現(xiàn)象，求矩孔的邊長(zhǎng)、矩孔的邊長(zhǎng)、雙圓孔的孔雙圓孔的孔距和光柵的縫距。距和光柵的縫距。返回返回注注 意意 事事 項(xiàng)項(xiàng)1切勿迎著激光束看激光，以免造成眼睛損傷。切勿迎著激光束看激光，以免造成眼睛損傷。2CC