衍射光强分布的测实验报告

衍射光强分布的测量

1008406006 物理师范陈开玉

摘要：为了观察并验证单缝衍射和多缝衍射的图样以及它们的规律，本实验设计了基于水平光路的测量方法。运用自动光强记录仪来对衍射现象进行比较函数化的观察。实验观察到衍射条纹随着缝宽变窄而模糊和间距扩大，并且通过仪器对光强图样的位置定位和夫琅禾费光强的公式来计算单缝的缝宽。该实验装置结构简单、调节方便、条纹移动清晰。

关键词：衍射自动光强记录仪单缝多缝

一、引言

光的衍射现象是光的波动性的重要表现，并在实际生活中有较多应用，如运用单缝衍射测量物体之间的微小间隔和位移，或者用于测量细微物体的尺寸等。本实验要求通过观察、测量夫琅禾费衍射光强分布，加深对光的衍射现象的理解和掌握。

二、实验原理

1,衍射的定义: 波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象,而光也是波的一种, 光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或者小孔（窄缝），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样

2,光的衍射分为夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射, 夫琅禾费衍射是指光源和观察点距障碍物为无限远，即平行光的衍射;而菲涅尔衍射是指光源和观察点距障碍物为有限远的衍射.本实验研究的只是夫琅禾费衍射.实际实验中只要满足光源与衍射体之间的距离u,衍射体至观察屏之间的距离v都远大于就满足了夫琅禾费衍射的条件,其中a为衍射物的孔径,λ为光源的波长.

3,单缝、单丝衍射原理：

如上图所示，a为单缝宽度，缝和屏之间的距离为v，为衍射角，其在观察屏上的位置为x，x离屏幕中心o的距离为OX=，设光源波长为λ，则有单缝夫琅禾费衍射的光强公式为：

式中是中心处的光强，与缝宽的平方成正比。

若将所成衍射图样的光强画成函数图象在坐标系中，则所成函数图象大致如下

除主极强外，次极强出现在的位置，它们是超越方程的根，其数值为：

对应的值为

当角度很小时，满足，则OX可以近似为

因而我们可以通过得出函数中次级强的峰值的横坐标只差来确定狭缝的宽度a

4，多缝衍射和干涉原理

多缝衍射的示意图如上图，每条缝的宽度为a，两条缝的中心距离为d，其中的每个单缝的衍射光强强度都和之前的单缝衍射光强公式一致。

多缝衍射与单缝的最大区别在于缝之间存在着干涉，如上图所示，对相同的衍射角，相邻两缝之间的光程差为,如果缝的数目为N，则干涉引起的强度分布因子为：

其中

干涉因子的函数曲线为

干涉因子曲线的特点是：

1，主极强的位置与缝的数目N无关，只要即满足

就能出现主极强。此时,但

2，次级强的数目为N-2，当时，，即出现强度为0的点，也就满足：

式中

在同一k之内共有N-1个零点，即有N-2个次级大。同时上式也说明N越大，主极强的角宽度越小，峰越锐。多缝衍射的强度受单缝衍射和多缝干涉共同影响，其强度公式为

其中

其函数图象就是单缝衍射函数图象和干涉因子的函数图象的合成，如下图

三、实验仪器

He-Ne激光器、衍射光强分布记录仪、衍射片（单缝，多缝，圆孔，圆屏），支柱若干

主要实验仪器如下图

摆放仪器的时候沿一条直线，要求激光的光点正好打在记录仪的横狭缝的正中心，再在中间放上和交换各种衍射片进行实验。

四、实验步骤

1.在光导轨(1.2m)上正确安置好各实验装置，如上图5所示；打开激光器，用小孔屏(白屏，有5mm小孔)调整光路，使激光束与导轨平行。

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(千分尺)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（避免回程误差）。

3.确保激光器的激光垂直照射单缝，将单缝调节到一合适的宽度；由于实验所用激光光束很细，故所得衍射图样是衍射光斑[light spot]（依据条件可配一准直系统，如倒置的望远镜，使物镜作为光入射口，将激光扩束成为宽径平行光束，即可产生衍射条纹）。

4.在硅光电池处，先用小孔屏进行观察，调节单缝倾斜度及左右位置，使衍射光斑水平，两边对称。然后改变缝宽和间距，观察衍射光斑的变化规律。

五、实验数据及计算

实验数据表格：

作图如下：

由于衍射光强分布的对称性，我们只是测量了右半部分数据，做出如上图形，课根据对称性得出完全的衍射分布曲线。

七，实验参考文献

无

第二篇：现代光学测试实验报告

现代光学测试技术

实验报告

姓名： ***

学号： ***

专业： ***

班级： ***

课程名称：现代光学测试技术

指导教师： ***

完成日期： ***

现代光学测试技术实验报告

一、实验目的

1、了解散斑的性质及特点

2、了解散斑干涉、剪切散斑干涉、DIC、和条纹投影技术的具体应用

3、通过分析优劣更好地学习现代光学测试技术的相关内容

二、实验原理

● 散斑

1、散斑的定义

当一束激光照射到物体的粗糙表面(例如铝板)时，在铝板前面的空间将布满无规律分布且明暗相间的颗粒状光斑，称为散斑。（如图1所示）

2、要形成散斑且质量较好必须具备的条件：

（1）有能发生散射光的粗糙表面

（2）入射光线的相干度要足够高，如：激光

（3）如使用激光粗糙表面深度须大于入射光波长

3、散斑的分类

由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的，称为直接散斑。(如图2所示)

经过一个光学系统，在它的像平面上形成的散斑，称为成像散斑，即主观散斑。（如图3所示）

图2 客观散斑原理图

图3 主观散斑原理图

4、散斑的应用

散斑携带了散射面的丰富信息，可以通过散斑的性质来推测物体表面的性质，是实验应力分析方法的一种，用于测取物体的位移、应变。由于这种办法的无损、快速等诸多优点，它被广泛应用于工业控制的缺陷检测、医学的光活检等领域，且受到越来越多的关注。

● 三角法测量原理

图4 激光三角法测量原理图

如图所示，

则，其中

物体变形前和变形后的光强分布为：

可以通过实验标定得到，由此，则可知物体的变形或位移

● DIC技术

图5 物体变形图像追踪

因为散斑分布是随机的，所以每一点和它周围的散斑是不一样的，我们在相关运算过程中，可以将变形前和变形后的散斑图像分割成很多网格，每一个网格就是一个相应的子集：这样，我们就可以以这个子集为载体，分析物体的相应的位移信息，将所有的子集进行计算，就可以得到相应的位移场：

在数字图像相关算法中，我们将变形前后的两幅散斑图分别设为F（x，y）和G（x，y），劝、数字图像相关基本思想是在F（x，y）中找到一个子区，通过子集中的灰度信息，按照一定的搜索方法在变形后的图像G（x，y）进行相关计算，找到与样本子集相对应的区域，通过分析子集中的位置和形状变化，可以得到物体在该点的位移和应变信息。