光夫琅禾费衍射研究

姓名：程佳丽 学号：200807034129 专业：物理学（师范）——夫琅禾费单缝衍射光强分布的研究夫琅禾费单缝衍射光强分布的研究（Research Of Fraunhofer Single Slot Diffraction Of LightIntensity Distribution）姓名：程佳丽专业：物理学（师范）班级：08级物教班摘要：我们在光学中学习了有关夫琅禾费单缝衍射和圆孔衍射的内容，本文主要是对夫琅禾费单缝衍射光强的计算公式进行数学推导以及拓展，并且根据推导的数学公式对夫琅禾费单缝衍射光强分布情况进行讨论，对夫琅禾费单缝衍射的特点进行分析介绍。

关键词：夫琅禾费单缝衍射（Fraunhofer single slot diffraction）、光强（Light intensity）、光强分布（Light intensity distribution）、最大值（Maximum）引言：光的衍射是光的波动性的重要现象之一。

衍射现象即波在传播过程中不沿直线传播，而是向各方向绕射的现象。

而光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象，称为光的衍射。

在衍射现象中，把平行光束的衍射现象，称为夫琅禾费衍射。

夫琅禾费衍射在光学研究中有着重要意义，它主要包括单缝衍射、圆孔衍射。

这里我重点介绍夫琅禾费单缝衍射的光强分布特点。

一、夫琅禾费单缝衍射实验装置与衍射图样的特点。

所谓夫琅禾费衍射是指光源、衍射屏和观察屏三者之间都是相距无限远的衍射情况。

即相当于入射光和衍射光都是平行的情况。

在这种情况下计算衍射花样中光强的分布时，数学运算就比较简单。

所谓光源在无限远，实际上就是把光源置于第一个透镜的焦平面上，使之成为平行光束；所谓观察角在无限远，实际上是在第二个透镜的焦平面上观察衍射花样。

由于透镜的会聚，衍射花样的光强将比菲涅耳衍射花样的光强大大增加。

夫琅禾费单缝衍射包含着衍射现象的许多主要特征。

夫琅禾费圆孔衍射公式夫琅禾费圆孔衍射公式是描述光线通过一个圆孔时的衍射现象的数学公式。

它可以用来计算衍射光的强度分布情况，进一步揭示光的波动性质。

本文将介绍夫琅禾费圆孔衍射公式的基本原理和应用。

夫琅禾费圆孔衍射公式的原理是基于惠更斯-菲涅尔原理和赫兹积分定理。

根据这两个原理，我们可以将一个圆孔近似看作无数个点光源的叠加，每个点光源都是由圆孔上的每一点发出的球面波。

当这些球面波在远离圆孔时相互叠加时，形成了一种干涉现象，即衍射现象。

夫琅禾费圆孔衍射公式的表达形式为：I(θ) = I_0 * (J1(α) / α)^2其中，I(θ)表示在θ方向上的光强分布，I_0表示中央峰的光强，J1(α)表示第一类贝塞尔函数，α表示无量纲的衍射角，其定义为α = (π * a * sin(θ)) / λ，其中a为圆孔半径，λ为入射光的波长。

夫琅禾费圆孔衍射公式告诉我们，光强的分布与衍射角有关。

当衍射角较小时，即光线以近似平行的方式射向圆孔时，衍射现象不明显，光强分布呈现出一个中央峰和一些弱的旁边峰。

随着衍射角的增大，中央峰逐渐减弱，旁边峰逐渐增强，最终形成一系列的衍射环。

夫琅禾费圆孔衍射公式的应用非常广泛。

首先，它可以用来解释和预测光通过圆孔时的衍射现象。

例如，在天文学中，我们可以利用夫琅禾费圆孔衍射公式来研究星光经过望远镜的衍射效应，从而探测和测量天体的角直径。

其次，夫琅禾费圆孔衍射公式也可以应用于光学元件的设计和优化。

例如，在激光技术中，我们可以根据夫琅禾费圆孔衍射公式来设计和调整光束的直径和光强分布，以满足实际应用需求。

此外，夫琅禾费圆孔衍射公式还可以应用于其他领域，如光学信息处理、光学显微镜等。

除了夫琅禾费圆孔衍射公式，还有其他一些相关的衍射公式和现象，如多孔衍射、狭缝衍射等。

这些公式和现象都是研究光的波动性质和光与物质相互作用的重要工具。

通过深入研究这些公式和现象，我们可以更好地理解和应用光学原理，推动光学科学和技术的发展。

dsinu??在单缝衍射因子具有极大值的地方即在???0的地方duu??除了在u???0处出现衍射主极强外还在一系列位置上出现衍射的次极强
[实验题目]
夫琅禾费衍射的定量研究
[实验目的]
1、掌握在光学平台上组装、调整光路的基本方法； 2、观察并定量测定不同衍射元件产生的光衍射图样； 3、学习微机自动控制和测量衍射光强的分布及其相关参量。
[实验内容]
1、掌握在光学平台上组装、调试产生夫琅禾费衍射的光路； 2、 定量研究单缝衍射图样分布规律 （光强比、 对称性、 缝宽等） ， 统一取第二排第四列的单狭缝（缝.宽 b=175μm） ； 3、定量研究三缝衍射光强分布，计算缝间距和缝宽(缝宽 b=40 μm,缝间距 d=90μm)，定性分析干涉和衍射的相互关系； 4、定性观察 10 个不同衍射屏衍射的光强分布。
2
2
表示衍射光场任意方向的相对光强。
单缝衍射光强分布的特点： 单缝的夫琅禾费衍射图样的中心有一 个主极强(零级衍射斑)，两侧都有一系列次极强和暗斑。主极强出现 在 sin
0 的地方， 原因是到这里的各条衍射光线有相同的
相位，它们相干叠加的结果具有最大的光强。 几何光学中的光线就是零级衍射线， 几何光学中的象点就是零级 衍射斑的中心。 在单缝衍射因子具有极大值的地方， 即在
一、单缝衍射 计算光强比： 背景光： I p
I 3 I 4 4 15 9.5 2 2
I1 I 2 175 172 1.83%( 10%) . 对称性要求： I I 172 175 1 2 Ip 9.5 2 2
4
主极强位置与缝数目 N 无关，但 N 越大，主极强宽度越小；相 邻主极强之间有 N-1 个暗纹和 N-2 个次极强；光强分布的外部轮廓 （包络线型）与单缝衍射的形状相同，这是单缝衍射因子的作用。

3.1“焦面接收”装置
把单色点光源 放在凸透镜 的前焦面上，经透镜 后的光束成为平行光垂直照在单缝 上，由惠更斯—菲涅耳原理，位于狭缝波阵面上每一点都可看成新的子波波源，它们向各个方向发射球面次波，这些次波经透镜 会聚于 的后焦面上，把接收屏 放在凸透镜 的后焦面上，则由几何光学可知 、 相当于距单缝 无限远。
2夫琅禾费衍射
由光源、衍射屏和接收屏组成的系统，按它们相互间距的大小，将衍射分为两大类。一类是光源和接收屏（或两者之一）距离衍射屏有限的为菲涅尔衍射；另一类是光源和接收屏都距离衍射屏为无限远的夫琅和费衍射[1]。
3实现夫琅和费单缝衍射的几种实验装置
要实现夫琅禾费衍射，必须保证光源到单缝的距离和单缝到衍射屏的距离均无限远（或相当于无限远），但是,把光源及接收屏放在离衍射屏无限远在实际上是做不到的。因此，必须采取相应的措施，才能实际形成夫琅禾费衍射。要使光源距狭缝无限远，实际上可以把光源置于第一个透镜的焦平面上，使之成为平行光束；要使观察屏距狭缝无限远，实际上可以再第二个透镜的焦平面上放置观察屏幕。下面介绍下面将介绍三种形成夫琅禾费衍射的装置[2]。
(a) (b)
图3 两种像面接收装置
Fig.3Two surface receivers
4夫琅禾费衍射图样规律
本实验采用的是如图2所示的远场接受装置,S是波长为 的单色光源，置于透镜 的前焦面上，单色光经透镜 后形成一束平行光投射于狭缝为 的单缝AB上。狭缝上各点可以看成是新的波源，由新的波源向各个方向发出球面次波。这些次波可以看成很多不同方向的平行光束。当衍射屏距离单缝的距离Z满足 ,由惠更斯—菲涅尔原理可推出衍射屏上任意一点 光强 的分布规律为[6]：
可以对L的取值范围进行估算：实验时，若取 ，入射光是 激光，其波长为632.80nm， ，所以只要取 ，就可满足夫琅和费衍射的远场条件。但实验证明，取 ，结果较为理想。