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实验讲义-组合光学-2012.9.doc

实验讲义-组合光学-2012.9.doc

上传者: ujuck 2012-11-03 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《实验讲义-组合光学-2012.9doc》,可适用于高等教育领域,主题内容包含组合光学光是一种自然现象有关光的研究学科称为光学习惯上光学分为几何光学与物理光学物理光学中又分波动光学和量子光学在波动光学中以光的波动性为基础研究光符等。

组合光学光是一种自然现象有关光的研究学科称为光学习惯上光学分为几何光学与物理光学物理光学中又分波动光学和量子光学在波动光学中以光的波动性为基础研究光传播的干涉,衍射,偏振等现象本实验就是利用综合光学实验仪组合元器件,完成波动光学中光的干涉和光的衍射几个代表性实验单缝衍射的光强分布光波的波振面受到阻碍时光绕过障碍物偏离直线而进入几何阴影区并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象叫做光的衍射。研究光的衍射不仅有助于进一步加深对光的波动性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。实验目的观察单缝夫琅和费衍射现象。掌握单缝衍射相对光强的测量方法并求出单缝宽度。实验仪器HeNe激光器,单缝,光轨,光具座、光电探测器、数字式检流计实验原理夫琅和费衍射衍射是波动光学的重要特征之一。衍射通常分为两类:一类是满足衍射屏离光源或接收屏的距离为有限远的衍射称为菲涅耳衍射另一类是满足衍射屏与光源和接收屏的距离都是无限远的衍射也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射称为夫琅和费衍射。菲涅耳衍射解决具体问题时计算较为复杂。而夫琅和费衍射的特点是只用简单的计算就可以得出准确的结果。在实验中夫琅和费衍射用两个会聚透镜就可以实现。本实验用激光器作光源由于激光器发散角小可以认为是近似平行光照射在单缝上其次单缝宽度约为mm单缝距接收屏如果大于米缝宽相对于缝到接收屏的距离足够小大致满足衍射光是平行光的要求也基本满足了夫琅和费衍射的条件:菲涅耳假设和光强度物理学家菲涅耳假设:波在传播的过程中从同一波阵面上的各点发出的次波是相干波经传播而在空间某点相遇时产生相干叠加这就是著名的惠更斯菲涅耳原理。如图所示单缝AB所在处的波阵面上各点发出的子波在空间某点P所引起光振动振幅的大小与面元面积成正比与面元到空间某点的距离成反比并且随单缝平面法线与衍射光的夹角(衍射角)增大而减小计算单缝所在处波阵面上各点发出的子波在P点引起光振动的总和就可以得到P点的光强度。可见空间某点的光强本质上是光波在该点振动的总强度。设单缝的宽度AB=a单缝到接收屏之间的距离是L衍射角为Ф的光线会聚到屏上P点并设P点到中央明纹中心的距离XK。由图可知从A、B出射的光线到P点的光程差为:()式中Ф为光轴与衍射光线之间的夹角叫衍射角。如果子波在P点引起的光振动完全相互抵消光程差是半波长的偶数倍在P点处将出现暗纹。所以暗纹形成的条件是:     K=……  ()在两个第一级(K=)暗纹之间的区域(λ<<λ)为中央明纹。由()式可以看出当光波长的波长一定时缝宽a愈小衍射角Ф愈大在屏上相邻条纹的间隔也愈大衍射效果愈显著。反之a愈大各级条纹衍射角Ф愈小条纹向中央明纹靠拢。a无限大衍射现象消失。单缝衍射的光强分布根据惠更斯菲涅耳原理可以推出当入射光波长为λ单缝宽度为a时单缝夫琅和费衍射的光强分布为:()式中IO为中央明纹中心处的光强度u为单缝边缘光线与中心光线的相位差。根据上面的光强公式可得单缝衍射的特征如下:()中央明纹在Ф=处u=I=IO对应最大光强称为中央主极大中央明纹宽度由k=的两个暗条纹的衍射角所确定即中央亮条纹的角宽度为。()暗纹当u=kπk=……即:或时有:I=0。且任何两相邻暗条纹间的衍射角的差值即暗条纹是以P点为中心等间隔左右对称分布的。()次级明纹在两相邻暗纹间存在次级明纹。它们的宽度是中央亮条纹宽度的一半。这些亮条纹的光强最大值称为次极大。其角位置依次是……()把上述的值代入光强公式()中可求得各级次明纹中心的强度为……()从上面特征可以看出各级明纹的光强随着级次K的增大而迅速减小而暗纹的光强亦分布其间单缝衍射图样的相对光强分布如图所示。实验内容1调整光路图是实验装置图(图中没有聚焦透镜是因为激光束的平行度较好,光束的发散角很小,故省去)。调整仪器同轴等高激光垂直照射在单缝平面上接收屏与单缝之间的距离大于m。观察单缝衍射现象改变单缝宽度观察衍射条纹的变化观察各级明条纹的光强变化。测量衍射条纹的相对光强()本实验用硅光电池作为光电探测器件测量光的强度把光信号变成电信号再接入测量电路以测量光电信号。衍射光强测试系统()测量时从一侧衍射条纹的第三个暗纹中心开始记下此时鼓轮读数同方向转动鼓轮中途不要改变转动方向。每移动mm读取一次检流计读数一直测到另一侧的第三个暗纹中心。单缝宽度a的测量由于L>m因此衍射角很小有:暗纹生成条件:     ()则:       ()式中L是单缝到硅光电池之间的距离XK为不同级次暗条纹相对中央主极大之间的距离。a是单缝的宽度。要求求出单缝宽度a并表示成标准形式。数据记录及处理自己设计表格记录数据。将所测得的I值做归一化处理即将所测的数据对中央主极大取相对比值IIO(称为相对光强)在直角坐标纸上描出IIO~X曲线。(X为测量点到中央极大值点的距离)由图中找出各次极大的位置与相对光强分别与理论值进行比较。单缝宽度的测量从所描出的分布曲线上确定K=时的暗纹位置XK将XK值与L值代入公式()中计算单缝宽度a等厚干涉牛顿环光的干涉现象在科学研究和工程技术上有着广泛的应用“牛顿环”是一种分振幅法等厚干涉现象最早为牛顿所发现。牛顿环干涉现象在光学加工中有着广泛应用。如测量透镜的曲率半径检验表面光洁度和平整度而且测量精度较高。实验目的。观察等厚干涉现象。。学习测平凸透镜的曲率半径。实验仪器平凸透镜和平面玻璃组成的牛顿环装置º平面反射玻璃片钠光灯,改进型读数显微镜。实验原理牛顿环干涉当一个曲率半径很大的平凸透镜的凸面放在另一块光学平板玻璃上即构成了牛顿环装置(图a)。这时在透镜凸面和平板玻璃之间形成了一个空气间隙层间隙层的厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。若有一束单色光垂直地入射到平凸透镜上则空气间隙层上下表面反射的两束光存在光程差它们在平面透镜的凸面上相遇时就会产生干涉现象由于光程差取决于空气层的厚度所以厚度相同处呈现同一级干涉条纹干涉条纹为以接触点为中心的一系列明暗相间的同心圆环。如图b所示。图如图a在P点处的两相干光的光程差为:δ()式中是因为光线在平面玻璃界面反射时所产生半波损失而带来的附加光程差。由干涉条件知:当光程差满足k=,,,……()时出现暗条纹由此可见接触点处dk=0对应的是零级暗条纹。当光程差满足…()时出现明条纹由于一般测量时均使用暗条纹所以对亮条纹不再详述。空气间隙层厚度dk和透镜凸面曲率半径R及干涉环暗条纹的半径之间有着简单的几何关系即:()因为R>>dk所以略去项式()代入式()后得出暗条纹的半径为: k=,,,……()由式()可知如果单色光源的波长已知测出k级暗环的半径就可算出曲率半径R反之如果R已知测出后就可计算出入射单色光源的波长。但是用此测量关系式时往往误差很大原因在于凸面和平面不可能是理想的点接触接触压力会引起局部形变使接触处成为一个圆面干涉中心为一暗斑而不是一个暗点。或者空气间隙层中有了尘埃附加了光程差干涉环中心为一亮(或暗)斑这些原因均无法确定环的几何中心。所以比较准确的方法是测量两暗环的直径来计算。由()式得第K级暗环:()对于第km 暗环:EMBEDEquation()()式减()式得:()即可算出或。实验内容牛顿环的观察与曲率半径的测量光路调节的基本步骤如下:(实验装置如下图所示)。在光具座上安上改进型读数显微镜牛顿环安装在带读数的测量架上放上光轨钠光灯置正前方调节同轴等高轻轻旋转º平面反射玻璃片,使钠光灯发出的黄色光经º玻璃片反射后垂直入射到牛顿环元件上。牛顿环干涉光路图。改进型读数显微镜应进行以下几步调整()调节目镜使十字叉丝清晰()聚焦:缓慢前后移动读数显微镜直至目镜中看到聚焦清晰的牛顿环。()缓慢调节牛顿环支架上的鼓轮轻微调节读数显微镜支架上的微调螺钉,直至目镜中看到牛顿环图像居中且十字叉丝平分牛顿环()转动测量架鼓轮同时在目镜中观察使十字叉丝由牛顿环中央缓缓向一侧移动至第暗环然后自暗环起单方向移动读数显微镜读数鼓轮依次测出第暗环和第暗环的直径的左位置右位置(注:测量过程中要保证测出的是牛顿环的直径而不是弦长读数鼓轮不能中途倒退只能单方向前进。)则第暗环和第暗环的直径为:共测组取平均值代入()式计算R数据记录及处理数据记录环的位置直径环的位置直径EMBEDEquation左右左右平均值平均值计算牛顿环曲率半径R计算曲率半径R的不确定度图单缝衍射示意图检流计光电探头单缝激光器钠光灯改进型读数显微镜牛顿环图单缝衍射相对光强分布曲线EMBEDPBrushEMBEDPBrushunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknown

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