1、篇一：組合光學組合光學光是一種自然現象. 有關光的研究學科稱為光學. 習慣上光學分為幾何光學與物理光學 . 物理光學中又分波動光學和量子光學. 在波動光學中以光的波動性為基礎研究光傳播的干涉 , 衍射 , 偏振等現象 . 本實驗就是利用綜合光學實驗儀組合元器件 , 完成波動光學中光的干涉和衍射幾個代表性實驗 .實驗目的1. 觀察單縫夫瑯和費衍射現象。2. 掌握單縫衍射相對光強的測量方法，并求出單縫寬度。3. 觀察等厚干涉現象。4. 學習測平凸透鏡的曲率半徑。實驗儀器he-ne 激光器 , 單縫 , 光軌 , 光具座、光電探測器、數字式檢流計。牛頓環裝置，鈉光燈，改進型讀數顯微鏡。實驗原理一、夫

2、瑯和費衍射光波的波振面受到阻礙時，光繞過障礙物偏離直線而進入幾何陰影區，并在屏幕上出現光強不均勻分布的現象叫做光的衍射。衍射是波動光學的重要特征之一，研究光的衍射不僅有助于進一步加深對光的波動性的理解，同時還有助于進一步學習近代光學實驗技術，如光譜分析、晶體結構分析、全息照相、光信息處理等。衍射使光強在空間重新分布，利用硅光電池等光電器件測量光強的相對分布是一種常用的光強分布測量方法。衍射通常分為兩類：一類是滿足衍射屏離光源或接收屏的距離為有限遠的衍射，稱為菲涅耳衍射；另一類是滿足衍射屏與光源和接收屏的距離都是無限遠的衍射，也就是照射到衍射屏上的入射光和離開衍射屏的衍射光都是平行光的衍射，稱為

3、夫瑯和費衍射。菲涅耳衍射解決具體問題時，計算較為復雜。而夫瑯和費衍射的特點是，只用簡單的計算就可以得出準確的結果。在實驗中，夫瑯和費衍射用兩個會聚透鏡就可以實現。本實驗用激光器作光源，由于激光器發散角小，可以認為是近似平行光照射在單縫上；其次，單縫寬度約為 0.1mm，單縫距接收屏如果大于1 米，縫寬相對于縫到接收屏的距離足夠小，大致滿足衍射光是平行光的要求，也基本滿足了夫瑯和費衍射的條件。物理學家菲涅耳假設：波在傳播的過程中，從同一波陣面上的各點發出的次波是相干波，經傳播而在空間某點相遇時，產生相干疊加，這就是著名的惠更斯菲涅耳原理。如圖 1 所示，單縫ab 所在處的波陣面上各點發出的子波，

4、在空間某點p 所引起光振動振幅的大小與面元面積成正比，與面元到空間某點的距離成反比，并且隨單縫平面法線與衍射光的夾角（衍射角）增大而減小，計算單縫所在處波陣面上各點發出的子波在p 點引起光振動的總和，就可以得到p 點的光強度。可見，空間某點的光強，本質上是光波在該點振動的總強度。根據惠更斯菲涅耳原理可以推出，當入射光波長為，單縫寬度為a 時，單縫夫sin2u?asin?瑯和費衍射的光強分布為：i?i0 (式子推導可參考物理教科書) （ 1 ） u?u2式中 io 為中央明紋中心處的光強度，u 為單縫邊緣光線與中心光線的相位差。根據上面的光強公式，可得單縫衍射的特征如下：sin2u?1， i=i

5、o，對應最大光強，稱為中央主極(1)中央明紋，在=0 處， u=0 ， 2u大，中央明紋寬度由k=?1 的兩個暗條紋的衍射角所確定，即中央亮條紋的角寬度為?2?。 a(2) 暗紋，當 u= k， k=1， 2，3 即：?asin?/?k?或 asin?k? 時有：。且任何兩相鄰暗條紋間的衍射角的差值?a，即暗條紋是以p0 點為中心等間隔左右對稱分布的。由上式可以看出，當光波長的波長一定時，縫寬a愈小，衍射角愈大，在屏上相鄰條紋的間隔也愈大，衍射效果愈顯著。反之，a 愈大，各級條紋衍射角愈小，條紋向中央明紋靠攏。 a 無限大，衍射現象消失。 (3) 次級明紋，在兩相鄰暗紋間存在次級明紋，它們的寬

6、度是中央亮條紋寬度的一半。這些亮條紋的光強最大值稱為次極大。由可得其角位置依次是：?1.432()?0，d?a， ?2.46?a， ?3.47?a， 把上述的值代入光強公式（ 1）中，可求得各級次明紋中心的強度為 i?0.047i0 ， i?0.016i0 ，i?0.008i0 ， 從上面特征可以看出，各級明紋的光強隨著級次k 的增大而迅速減小，而暗紋的光強亦分布其間。單縫衍射圖樣的相對光強分布如圖2 所示。二、牛頓環干涉干涉也是波動光學的重要特征之一，光的干涉現象在科學研究和工程技術上有著廣泛的應用， “牛頓環”是一種分振幅法等厚干涉現象，最早為牛頓所發現。牛頓環干涉現象在光學加工中有著廣泛

7、應用。如測量透鏡的曲率半徑，檢驗表面光潔度和平整度，而且測量精度較高。當一個曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面放在另一塊光學平板玻璃上即構成了牛頓環裝置（圖3a）。這時，在透鏡凸面和平板玻璃之間形成了一個空氣間隙層，間隙層的厚度從中心接觸點到邊緣逐漸增加。若有一束單色光垂直地入面反射的兩束光存在光程差，它們在平圖3牛頓環凸透鏡的凸面上相遇時就會產生干涉現象，由于光程差取決于空氣層的厚度，所以厚度相同處呈現同一級干涉條紋，故此種干涉稱為等厚干涉，干涉條紋為以接觸點為中心的一系列明暗相間的同心圓環。如圖3b 所示。如圖 3a，在 p 點處的兩相干光的光程差為：k?2dk?式中 ?2 （ 2） ? 是因為

8、光線在平面玻璃界面反射時所產生半波損失而帶來的附加光程差。2? 由干涉條件知 : 當光程差滿足 ?k?2dk?(2k?1) k=0,1,2,3?（3） 22時，出現暗條紋，由此可見，接觸點處dk，對應的是零級暗條紋。當光程差滿足?k?2dk?2?k?，k?1,2,? （ 4）時出現明條紋，由于一般測量時均使用暗條紋，所以對亮條紋不再詳述。空氣間隙層厚度dk 和透鏡凸面曲率半徑r 及干涉環暗條紋的半徑rk2 幾何關系，即：rk2?r2?(r?dk)2?2rdk?dk（ 5）因為 r>>d k，所以 dk2?2rdk ，略去 dk2 項，式（ 3）代入式（之間有著簡單的5）后，得出暗條

9、紋的半徑為：rk2?kr?, k=0,1,2,（ 6）由式（ 6）可知，如果單色光源的波長?已知，測出 k 級暗環的半徑rk ，就可算出曲率半徑r ；反之，如果r 已知，測出rk 后，就可計算出入射單色光源的波長?。但是用此測量關系式時往往誤差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的點接觸；接觸壓力會引起局部形變，使接觸處成為一個圓面，干涉中心為一暗斑，而不是一個暗點。或者空氣間隙層中有了塵埃，附加了光程差，干涉環中心為一亮（或暗）斑，這些原因均無法確定環的幾何中心。所以比較準確的方法是測量兩暗環的直徑來計算。由（ 6）式得第k 級暗環： dk2?4kr?(7)2 對于第 k+m 暗環： dk?

10、m?4(k?m)r? (8)(8) 式減（ 7）式得：22 dk? ?m?dk?4mr （ 9） 即可算出 r 或。實驗內容及數據處理一、單縫夫瑯和費衍射 .調整光路圖 4 是實驗裝置圖（圖中沒有聚焦透鏡，是因為激光束的平行度較好, 光束的發散角很小, 故省去）。調整儀器同軸等高； 激光垂直照射在單縫平面上，接收屏與單縫之間的距離大于1m。2.觀察單縫衍射現象改變單縫寬度，觀察衍射條紋的變化，觀察各級明條紋的光強變化。3.測量衍射條紋的相對光強(1)本實驗用硅光電池作為光電探測器件測量光的強度，把光信號變成電信號， 再接入測量電路以測量光電信號。圖 4 衍射光強測試系統(2) 測量時，從一側衍

11、射條紋的第二個暗紋中心開始，記下此時鼓輪讀數， 同方向轉動鼓輪，中途不要改變轉動方向。每移動 0.1mm，讀取一次檢流計讀數，一直測到另一側的第二個暗紋中心。4. 單縫寬度 a 的測量由于 l>1m ，因此衍射角很小，?sin?xk ，有 : l? （ 10） 暗紋生成條件： asin?2k2 asin?k?則： a?k?lk? （ 11） ?xk式中 l 是單縫到硅光電池之間的距離，xk 為不同級次暗條紋相對中央主極大之間的距離。a是單縫的寬度。要求求出單縫寬度a，并表示成標準形式。數據記錄及處理1.自己設計表格，記錄數據，激光波長=635nm。2.將所測得的i 值做歸一化處理，即將所

12、測的數據對中央主極大取相對比值i/io（稱為相對光強），在直角坐標紙上描出i/io x 曲線。 (x 為測量點到中央極大值點的距離)3. 由圖中找出各次極大的位置與相對光強，分別與理論值進行比較。4.單縫寬度的測量，從所描出的分布曲線上，確定k= 1， 2， 3 時的暗紋位置xk ，將xk 值與 l 值代入公式（11）中，計算單縫寬度a，與實際值對比，分析誤差原因。二、牛頓環牛頓環的觀察與曲率半徑的測量光路調節的基本步驟如下:( 實驗裝置如下圖5 所示 )1。在光具座上安上改進型讀數顯微鏡，牛頓環安裝在帶讀數的測量架上，放上光軌， 鈉光燈置正前方， 調節同軸等高， 輕輕旋轉 45o 平面反射玻

13、璃片, 使鈉光燈發出的黃色光，篇二： 基礎光學實驗實驗報告基 礎光學實驗姓名：許學號：2120903018 應物 21 班 達一實驗儀器基礎光學軌道系統，基礎光學組合狹縫及偏振片，紅光激光器及光圈支架，光傳感器與轉動傳感器，科學工作室 500 或 750 接口， datastudio 軟件系統二實驗目的1. 通過該實驗讓學生了解并會運用實驗器材，同時學會用計算機分析和處理實驗數據。2. 通過該實驗讓學生了解基本的光學現象，并掌握其物理機制。三實驗原理單縫衍射：當光通過單縫發生衍射，光強極小（暗點）的衍射圖案由下式給出 asin =m (m=1,2,3 ），其中 a 是狹縫寬度，為衍射角度，是光

14、波波長。雙縫干涉：當光通過兩個狹縫發生干涉，從中央最大值（亮點）到單側某極大值的角度由下式給出dsin=m (m=1,2,3), 其中 d 是狹縫間距， 為從中心到第m級最大的夾角，是光波波長，m為級數。光的偏振：通過第一偏振器后偏振電場為e0，以一定的角度穿過第二偏振器，則場強變化為 e0cos , 由于光強正比于場強的平方，則，第二偏振器透過的光強為i=i0cos2 .四實驗內容及過程單縫衍射單縫衍射光強分布圖如果設單縫與接收屏的距離為s, 中央極強到光強極小點的距離為c, 且 sin tan =c/s, 那么可以推得a=sm /c. 又在此次實驗中，s=750mm, =6.5e(-4)m

15、m, 那么推得a=0.4875m/c, 又由圖可知：當m=1時， c=(88-82)/2=3mm, 推得 a=0.1625mm;當 m=2時， c=(91-79)/2=6mm, 推得 a=0.1625mm; 當 m=3時， c=(94-76)/2=9mm, 推得 a=0.1625mm;當 m=4時， c=(96-74)/2=11mm, 推得 a=0.1773mm; 得到 a 的平均值 0.1662mm,誤差 e=3.9%。雙縫干涉雙縫干涉光強分布圖雙縫間距如果設雙縫與接收屏的距離為s, 中央極強到單側極強點的距離為c, 且 sin tan =c/s, 那么可以推得d=sm /c. 又在此次實驗

16、中，s=650mm, =6.5e(-4)mm,那么推得d=0.4225m/c ，由圖可知：當m=1 時， c=(75-72)/2=1.5mm,推得d=0.2817mm;當 m=2 時，c=(76-70)/2=3mm,推得 d=0.2817mm;當 m=3時， c=(78-68)/2=5mm, 推得 d=0.2535mm; 當 m=4時， c=(80-66)/2=7mm, 推得 d=0.2414mm; 當 m=5時， c=(81-65)/2=8mm, 推得 d=0.2641mm;由此推得雙縫間距d 的平均值0.2645mm,誤差 e=5.8%。雙縫寬度如果設雙縫與接收屏的距離為s, 主級包絡極大值到第一級包絡光強極小點的距離