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单缝衍射及光强分布测试 实验讲义

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实验 单缝衍射及光强分布测试
光的干涉和衍射现象揭示了光的波动特性。
光的衍射是指光作为电磁波在其传播路径上如果遇到障碍物，它能绕过障碍
物的边缘而进入几何阴影区内传播的现象。光在衍射后产生的明暗相间的条纹或
光环叫衍射图样，包括：单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射及泊松亮斑等。
根据观察方式的不同，通常把光的衍射现象分为两种类型。一种是光源和观
察屏（或二者之一）距离衍射孔（或缝、丝）的长度有限，或者说入射波和衍射
波都是球面波，这种衍射称为菲涅耳衍射，或近场衍射。另一种是光源和观察屏
距离衍射孔（或缝、丝）均为无限远或相当于无限远，这时入射波和衍射波都可
看作是平面波，这种衍射称为夫琅禾费衍射，或远场衍射。实际上，夫琅禾费衍
射是菲涅耳衍射的极限情形。
观察和研究光的衍射不仅有助于进一步加深对光的波动理论和惠更斯—菲
涅耳原理的理解，同时还有助于进一步学习近代光学实验技术，如光谱分析、晶
体结构分析、全息照相、光信息处理等。衍射使光强在空间重新分布，本实验利
用硅光电池等光电器件测量光强的相对分布，是一种常用的光强分布测量方法。
【实验目的】
1. 观察单缝衍射现象，加深对波的衍射理论的理解。
2. 测量单缝衍射的相对光强分布，掌握其分布规律。
3. 学会利用衍射法测量微小量的思想和方法。
4. 加深对光的波动理论和惠更斯—菲涅耳原理的理解。

【实验原理】
1. 单缝衍射的光强分布

光线在传播过程中遇到障碍物，如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等
时，一部分光会传播到几何阴影中去，产生衍射现象。如果障碍物的尺寸与波长
相近，那么，这样的衍射现象就比较容易观察到。
散射角极小的激光器产生激光束，通过一条很细的狭缝（0.1～0.3mm宽），
在狭缝后大于0.5m的地方放上观察屏，就可看到衍射条纹。由于激光束的方向
性很强，可视为平行光束，因此观察到衍射条纹实际上就是夫琅禾费衍射条纹，
如图1所示。

光照射在单缝上时，根据惠更斯—菲涅耳原理：把波阵面上的各点都看成子
波波源，衍射时波场中各点的强度由各子波在该点相干叠加决定。即就是说单缝
上每一点都可看成是向各个方向发射球面子波的新波源，由于子波迭加的结果，
在屏上可以得到一组平行于单缝的明暗相间的条纹。
图1中宽度为d的单缝产生的夫琅禾费衍射图样，其衍射光路图满足近似条
件：

dD
Dxsin

产生暗条纹的条件是：

kdsin

（k=±1，±2，±3，…） (1)

暗条纹的中心位置为：

d
D
Kx

(2)

两相邻暗纹之间的中心是明纹中心；
由理论计算可得，垂直入射于单缝平面的平行光经单缝衍射后光强分布的规律为

2
2
0
sin


II

（3）

d
是狭缝宽，是波长，D是单缝位置到光电池位置的距离，x是从衍射条纹

的中心位置到测量点之间的距离，其光强分布如图2所示。

d

D

x

屏
亮

暗

图1
当相同，即x相同时，光强相同，所以在屏上得到的光强相同的图样是平
行于狭缝的条纹。当0时，0x，0II，在整个衍射图样中，此处光强最
强，称为中央主极大；中央明纹最亮、最宽，它的宽度为其他各级明纹宽度的两
倍。

当),2,1( KK，即dDK时，I = 0在这些地方为暗条纹。
暗条纹是以光轴为对称轴，呈等间隔、左右对称的分布。中央亮条纹的宽度x可
用1K的两条暗条纹间的间距确定，dDx2；某一级暗条纹的位置与缝
宽d成反比，d大，x小，各级衍射条纹向中央收缩；当d宽到一定程度，衍射
现象便不再明显，只能看到中央位置有一条亮线，这时可以认为光线是沿几何直
线传播的。
次极大明纹与中央明纹的相对光强分别为：

0
I
I
= 0.047, 0.017, 0.008, …… (4)

2. 衍射障碍宽度（d）的测量
由以上分析，如已知光波长，可得单缝的宽度计算公式为

x
DK
d

(5)

式中K是暗条纹级数，D为单缝至屏之间的距离，x为第K级暗条纹距中
央主极大中心位置距离。用光的衍射可以测量细缝的宽度。



2
2
0
sin


II

x
2
x

1
x

1
0
Ix()

1010x

2

图2
同理，如已知单缝的宽度，可以测量未知的光波长。
根据互补原理，光束照射在细丝上时，其衍射效应和狭缝一样，在接收屏上
得到同样的明暗相间的衍射条纹。于是，利用上述原理也可以测量细丝直径及其
动态变化。如图3所示。

【实验仪器】
光强分布测试仪
【仪器介绍】

1. 硅光电池光电接收器 2. 一维可调移动尺
3. 光电流检测主机 4. 衍射片
5. 半导体激光器 6. 半导体激光器电源
7. 光学导轨

【预习思考题】
1. 光的干涉与衍射有什么异同？
2. 让激光发出的单色光照射到狭缝上，当狭缝宽度逐渐改变时，在光屏上
出现的现象怎样变化？
3. 如果单缝到接收屏的距离改变，衍射图样和相对光强分布线有何变化？
【注意事项】
1. 请不要用眼晴直视激光束，以免损害视网膜。

2. 光强分布测试仪量程分为两档，用以测量不同的光强范围，使用前应先
预热5分钟。

3．由于硅光电池的受光面积较大，而实际要求测出各个点位置处的光强，
所以在硅光电池前装可调细缝光栏，用以控制受光面积，并把硅光电池装在带有
螺旋测微装置的底座上，可沿横向方向移动，这就相当于改变了衍射角。

4．由于激光衍射所产生的散斑效应，光电流会出现一定的跳动属正常现象，
实验中可根据判断选一中间值。

【实验内容与步骤】
1. 观察单缝衍射的光强分布
(1)在(1.2m)光导轨上正确安置好各实验装置，如上图所示；打开激光器，调
节激光束与导轨平行 用白屏观测单缝衍射变化。
(2)开启检流计，预热5分钟；仔细检查激光器、单缝和一维光强测量装置
的底座是否放稳，要求在测量过程中不能有任何晃动；使用一维光强测量装置时
注意鼓轮单方向旋转的特性。衍射片与光电接收距离最好在50cm-100cm之间。
2. 测量衍射光斑的相对强度分布
(1)检流计电流量程为（20）档，转动一维光强测量装置鼓轮，把硅光电池
狭缝位置移到光电中心位置处，使衍射光斑中央最大两旁相同级次的光强以同样
高度射入硅光电池狭缝中。 光电池接收器狭缝为0.4mm 。根据要求选择其他合
适的狭缝。
(2)关掉激光器电源，检流计调零，然后打开激光器电源，调节一维调节架
及其它光学元件找到电流最大值，然后调节灵敏度旋钮为1.000为一个定值。或
根据电流选着合适量程。
(3)然后每隔0.1mm或0.2mm，取一个电流值。从一个方向读取，一直测到
另一侧的第三个暗点；应特别注意衍射光强的极大值和极小值的光强测量。
3. 测量单缝的宽度
(1)测量单缝到光电池之间的距离D 或从导轨上的刻度读数。
(2)由一边3个暗点位置计算缝宽。
(3)用测量显微镜直接测量缝宽，在缝的不同位置测3次取平均值，并与前
间接测量结果进行比较。

【实验数据记录及处理】
本实验使用的半导体红光激光器波长为：= 650.0 nm
1. 单缝衍射记录:要特别注意衍射光强的极大值和极小值所对应的坐标的测量）

表：1-1 D= 0I 

x
(mm)

I

x
(mm)

I

x
(mm)

I

2. 选取中央最大光强处为x轴坐标原点，把测得的数据作归一化处理。即把在不
同位置上测得的检流计光强读数I除以中央最大的光强读数I0，然后在毫米方格
（坐标）纸上做出 I — x衍射相对光强分布曲线。
3. 仪器只做单缝衍射实验，其它的衍射可以作为学生演示。

【思考题】
1. 不同缝宽的单缝，其光强的分布有何特点？
2. 能否使用本实验中的光强分布测试仪测定各级明条纹的衍射角？
3. 根据实验结果分析单缝衍射光强分布测量中的误差？

【参考文献】
[1]张三慧.大学基础物理学(第2版) [M].北京:清华大学出版社,2007:262-269
[2]钟读敏.大学物理实验[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1995:199-201
[3]袁长坤.物理量测量[M].北京:科学出版社,2004:220-229
[4]陈金太.大学物理实验[M].厦门:厦门大学出版社,2005:180-182

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光强分布的测量

光强分布的测量

光强分布的测量实验一、实验目的１．观察单缝衍射现象，加深对衍射理论的理解。

２．会用光电元件测量单缝衍射的相对光强分布，掌握其分布规律。

３．学会用衍射法测量微小量。

4． 验证马吕斯定律。

二、实验原理如图1所示，图1 夫琅禾费单缝衍射光路图与狭缝E 垂直的衍射光束会聚于屏上P 0处，是中央明纹的中心，光强最大，设为I 0，与光轴方向成Ф角的衍射光束会聚于屏上P A 处，P A 的光强由计算可得：式中，b 为狭缝的宽度，λ为单色光的波长，当0=β时，光强最大，称为主极大，主极大的强度决定于光强的强度和缝的宽度。

当πβk =，即：220sin ββI I A =)sin (λφπβb =bKλφ=sin ），，，⋅⋅⋅±±±=321(K时，出现暗条纹。

除了主极大之外，两相邻暗纹之间都有一个次极大，由数学计算可得出现这些次极大的位置在β=±1.43π，±2.46π，±3.47π，…，这些次极大的相对光强I/I 0依次为0.047，0.017，0.008，…图2 夫琅禾费衍射的光强分布夫琅禾费衍射的光强分布如图2所示。

图3 夫琅禾费单缝衍射的简化装置用氦氖激光器作光源，则由于激光束的方向性好，能量集中，且缝的宽度b 一般很小，这样就可以不用透镜L 1，若观察屏（接受器）距离狭缝也较远（即D 远大于b ）则透镜L 2也可以不用，这样夫琅禾费单缝衍射装置就简化为图3，这时，由上二式可得三、实验装置激光器座、半导体激光器、导轨、二维调节架、一维光强测试装置、分划板 、可调狭缝、平行光管、起偏检偏装置、光电探头 、小孔屏、 数字式检流计、专用测量线等。

Dx /tan sin =≈φφxD K b /λ=图4 衍射、干涉等一维光强分布的测试四、实验步骤1. 接上电源（要求交流稳压220V ±11V ，频率50HZ 输出），开机预热15分钟；2. 量程选择开关置于“1”档，衰减旋钮顺时针置底，调节调零旋钮，使数据显示为－.000； （一）单缝衍射一维光强分布的测试1、 按图4搭好实验装置。

单缝衍射光强分布实验报告

单缝衍射光强分布实验报告

单缝衍射光强分布实验报告单缝衍射是一种光学现象，通过实验可以观察到光在通过一个细缝时的衍射效应。

本文将介绍一项关于单缝衍射光强分布的实验，并对实验结果进行分析和讨论。

实验过程中，我们使用了一个狭缝装置，该装置具有一个非常细小的缝隙，光线可以通过这个缝隙进入。

实验中，我们使用了一束平行光照射到狭缝上，并在屏幕上观察到了一系列的明暗条纹。

通过观察实验结果，我们可以看到在缝隙附近形成了一条明亮的中央区域，称为中央最大亮条纹。

中央最大亮条纹的光强最大，光线在通过缝隙时几乎没有发生衍射，呈现出直线传播的特点。

在中央最大亮条纹两侧，形成了一系列的暗条纹和亮条纹，这些条纹交替出现，呈现出规律的间距。

这是由于光线在通过缝隙时发生了衍射现象，光线波前的形状受到了缝隙的限制，导致光线在缝隙后方形成了一系列的衍射波。

根据衍射现象的特点，我们可以得到一个重要的结论：缝隙越宽，衍射效应越弱，条纹间距越大；缝隙越窄，衍射效应越强，条纹间距越小。

这是因为当缝隙越宽时，光线波前的形状变化较小，衍射效应也会相应减弱；而当缝隙越窄时，光线波前的形状变化较大，衍射效应也会相应增强。

实验中，我们还可以通过改变入射光的波长来观察到不同的衍射效应。

根据衍射公式，波长越小，衍射效应越明显，条纹间距越小；波长越大，衍射效应越弱，条纹间距越大。

通过这个实验，我们可以深入理解光的波动性质以及衍射现象的发生原理。

同时，这项实验也具有一定的应用价值，例如在天文观测中，通过观察恒星的光谱衍射条纹，可以得到有关恒星的重要信息。

总结起来，单缝衍射光强分布实验是一项具有重要意义的实验，通过观察明暗条纹的分布，我们可以了解到光线在通过狭缝时的衍射现象。

实验结果表明，缝隙的宽度和入射光的波长都会对衍射效应产生影响，这为我们进一步研究光的波动性质和衍射现象提供了重要的参考。

单缝衍射光强的分布测量实验报告

单缝衍射光强的分布测量实验报告

竭诚为您提供优质文档/双击可除单缝衍射光强的分布测量实验报告篇一：衍射光强分布测量衍射光强分布测量***，物理学系摘要：本实验利用激光为光源研究激光经过单缝与单丝时的衍射光强度分布情况。

激光的高准直性符合夫琅和费远场条件，且高单色性保证测量时没有不同波长光的叠加影响。

光感应器方面使用光栅尺与电脑连接做0.02毫米/点的高精度自动扫描。

通过巴比涅原理迂回得到了没有直射光时单丝的衍射光强分布，完整验证了运用衍射光强分布来测量小微物体的长度的方法和可行性，并实际运用此法测量了铜丝和头发丝的直径。

关键词：衍射分布巴比涅原理单缝直径测量ThemeasurementoftheDistributionofLightDiffraction YixiongKeYiLin,DepartmentofphysicsAbstarct：Thisexperimentmadeuseoflaserasthelightsourcetoverif yaseriesofdiffractionpatternsof633nmlaserviadiffere ntsingleslitsandmonofilaments.Thecollimationfeature ofthelasermeetstheconditionofFraunhoferdiffraction, themonochromicfeatureoflaserprovideabetterexperimen talenvironmentthatthediffractionpatternwon`tbeinter ferebythelightofotherwavelength.weuselinearencorder connectedtopcviauLI(universalLaboratoryInterface)as thesensortoautomaticallyscanthediffractionpatternwi ththeratioof0.02mmperdot.weusebabinet’sprincipletogetthediffractionpatternofamonofilament p letelyverifiedthemethodandfeasibilityofmeasuringati nyobjectwithitsdiffractionpattern.Inaddition,wetryt omeasurethediameterofacopperwireandpeople’shairinthiswayKeywords:Diffractiondistributionbabinet`sprinciplesingleslitsmeasureDiameterofthewire1一、引言衍射是波遇到障碍物时便利直线传播的现象。

实验13 单缝衍射的相对光强分布-to学生

实验13 单缝衍射的相对光强分布-to学生

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。
1．单缝夫琅和费衍射 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
验过程中，只要 AP0 与 OP0 的差远远小于一 个波长 λ ，就可认近似认为该条件满足， 即
⎛ ( AP0 − OP0 ) = ⎜⎜⎝
Z2
+
( a )2 2
−
Z
⎞ ⎟⎟⎠
因 Z a ，有
λ （2）
图 3 激光光源单缝衍射
即：
Z 2 + a2 − Z ≈ Z (1+ a2 ) − Z = a2 λ
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中山大学理工学院、东校区实验中心编制
实验 13 单缝衍射的相对光强分布
2. 检测光功率计的读数与入射光强的线性关系
白光点光源位置：
， 光探头初始位置：
位置 Z / mm 光功率 P/µW 位置 Z / mm 光功率 P/µW 位置 Z / mm 光功率 P/µW 位置 Z / mm 光功率 P/µW
Iθ
=
I0
sin2 (π a sinθ λ
)
(π a sinθ )2 λ
（1）
其中 λ 为入射光波长，θ 为衍射角， I0 为 P0 处的光强，称为主极大。
图 1 单缝夫琅和费衍射光路图
根据上式可画出单缝衍射的光强分布曲线如图 2 所
示。从曲线上可以看出：
（1）当θ = 0 时，光强有最大值 I0 ，称为主极大，大 部分能量落在主极大上。