单缝衍射光强分布研究

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。

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。

xk b
b tg1 L
1 5
L2
A

sin 1 tg1

L a b
b a L
S
0

xk
PO
B L
L a b
若要满足
L 50.00cm
a 10 m
4
9
623.8nm
在光强分布曲线图上测量出 b 的值，就可以计算出单缝的宽度
L 0.5 632.8 10 b 4 a 10
3.16 10 3 m 3.16mm
N 16
一个条纹宽度内应有
16个以上的测量点
b 3.16 15.8 0.200 0.200
课后作业:
思考题 1. 2. 3.
a 10 m ; 激光器与单缝之间的距离以及单缝
4
与光屏(一维光强测量装置)之间的距离均为 50cm
左右;实验用方向性很好, 发散角为 10 ~ 10 rad 的 H e N e 激光作光源, 这样可以满夫朗和费衍
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射的远场条件，从而可省去单缝前后的两个透镜。
3. 本实验用硅光电池作光强 I 的测量器件, 硅光电池 能直接将光能转变为电能,在一定光照范围内, 光电
单缝衍射光强分布曲线的绘制
I A
一级暗纹中心
中央明纹中心
b 是中央明纹半宽度
0
b 也是衍射条纹的宽度
b
b
xmm
2. 计算出单缝的宽度
a:

a
P
根据单缝衍射生成暗纹的条件: a sin k
k 1
a sin1
sin 1
L1
0
1 是一级暗纹中心的衍射角

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。