推荐实验六 CCD多道光强分布测量 精品文档格式.docx
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1、当
时,
,为中央主极大的强度,光强最强,绝大部分的光能都落在中央明纹上。
2、
当
,为第K级暗纹。
由于夫琅禾费衍射时,θ很小,有θ
Sinθ,因此暗纹出现的条件为:
(2)
3、从式
(2)可见,当K=±
1时,为主极大两侧第一级暗条纹的衍射角,由此决定了中央明纹的宽度
其余各级明纹角宽度
所以中央明纹宽度是其它各级明纹宽度的二倍。
4、除中央主极大外,相邻两暗纹级间存在着一些次最大,这些次最大的位置可以从对
(1)式求导并使之等于零而得到,如下表示:
级数K
次最大时
相对光强
±
1
1.43
0.047
2
2.46
0.017
3
3.47
0.008
三、实验装置
一套完整的LM99PC由光具座、激光器、组合光栅、LM601CCD光强分布测量仪和计算机数据采集盒(USB接口),外加一套计算机组成,其中LM601CCD光强分布测量仪是核心部件。
(一)整套系统外形如图:
1.激光器:
小功率的半导体激光器;
2.组合光栅:
由光栅片和二维调节架构成,见图3,光栅片上有7组图形,见图4。
光栅片上部/下部
第1组:
单缝(a=0.12mm)/单丝(0.12mm)
第2组:
单缝(a=0.10mm)/单丝(0.10mm)
第3组:
单缝(a=0.07mm)/双缝(a=0.07mm,d=2)
第4组:
单缝(a=0.07mm)/双缝(a=0.07mm,d=3)
第5组:
单缝(a=0.07mm)/双缝(a=0.07mm,d=4)
第6组:
双缝(a=0.02mm)/三缝(a=0.02mm,d=2)
第7组:
四缝(a=0.02mm)/五缝(a=0.02mm,d=2)
d为缝中心的间距与缝宽的比值。
几组多缝结构安排是针对母国光等编《光学》P223~P227;
P325~P331的教学内容所设计。
3.计算机数据采集盒:
计算机数据采集盒用USB接口与计算机相连。
4.CCD光强分布测量仪:
其核心是线阵CCD器件。
CCD器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵,有面阵(二维)和线阵(一维)之分。
LM601CCD光强仪所用的是线阵CCD器件,性能参数如下表。
LM601CCD光强仪机壳尺寸为150mm×
100mm×
50mm,CCD器件的光敏面至光强仪前面板距离为4.5mm。
光敏元数
光敏元尺寸
光敏元中心距
光敏元线阵有效长
光谱响应范围
光谱响应峰值
2592个
11×
11μm
29.7mm
0.35~0.9μm
0.56μm
LM601CCD光强仪后面板各插孔标记含义如下,内部电路结构框图见图5,波形见图6:
“信号”:
CCD器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端。
接电缆线红色插头。
“采样”:
每一个脉冲对应于一个光电二极管,脉冲的前沿时刻表示外接设备可以读取光电管的光电压值,“采样”信号是供CCD采集卡“采样”同步和供CCD数显示波器作X位置计数。
此脉冲也可作为几何形状测量时的计数脉冲。
接电缆线黄色插头。
“同步”:
启动CCD器件扫描的触发脉冲,主要供示波器X轴外同步触发和采集卡同步用。
“同步”的含意是“同步扫描”。
接电缆线蓝色插头。
图6:
CCD光强仪后面板各插孔输出波形
(二)安装和使用
1.安装:
整套LM99MP的安装请参照图7和图8所示,实验系统最好按置在光具座上,或磁性钟表座加铁板方式,也可按置在稳定的实验桌上。
用随机带的三根双插头线分别将CCD光强仪后面板上的“信号”、“采样”、“同步”与SB14控制器上的“信号”、“采样”、“同步”一一对应插好;
再将14″显示器上15芯D型插头和电源插头插入SB14控制器后面的对应插座内(注意插入方向)。
2.使用:
(1)电路连接检查
CCD光强仪后面板上的“示波器/微机”开关拨向“示波器”,用纸挡住CCD采光窗,让其不接受或只接受很弱的光。
移动“SB14控制器”上的X、Y标志线旋扭,屏幕上的X、Y值会对应变化。
在使用中,如发现示波器上波形向一个方向滚动,一般是光强仪与SB14控制器上的“同步”这一条线没有插好;
发现没有“X值”显示(X=0000),一般是“采样”线没有插好;
如Y值始终是Y=0000,一般是“信号”这条线没有连接好。
正确的图像见图9。
(2)读数:
X值表示标志线所指曲线处是CCD器件上的第几个光电二极管(第几个光敏元),不同的X值表示曲线上不同点对应在CCD器件上不同空间位置,两个X值的差值ΔX值表示曲线上两点间对应在CCD器件上的空间距离──表示间隔多少个光敏元,是一个原始数据,只有乘上“光敏元的中心距”才是实际的距离。
不同型号的CCD光强仪有不同的“光敏元中心距”,如LM401、LM501型为14μm,LM601型为11μm,LM801型为7μm,光强仪底部铭牌上都有注明。
Y值表示标志线所指曲线处是CCD器件上第几个光电二极管所产生的光电压值,是个相对值,经8位量化,所以最大显示为255(Y值为255对应于5V,每一个字对应19.5mv)。
(3)使用注意:
a.注意!
LM各型CCD光强仪有很高的光电灵敏度,在一般室内光照条件下,已趋饱和,无信号输出,需在暗环境中使用!
在没有暗室的情况下,可以在LM601CCD光强仪和组合光栅架之间架设一个遮光筒(例如两端开口的封闭纸盒)。
b.初次使用LM各型CCD光强仪时,应从弱光到亮光进行光路调节,以免光强仪饱和,找不到曲线。
如被测光较强,则需调节“减光器”。
c.单缝与CCD光强仪之间的距离Z应尽可能满足远场条件(Z>
>
/
,a为缝宽)。
d.光路调整:
*曲线稳定调节
光强曲线幅值涨落或突跳,是激光器输出功率不稳造成的,常发生在用He—Ne激光器时,如采用半导体激光器就不会有这种情况。
*曲线对称调节
一般的衍射花样是一种对称图形。
但有时显示器看到的图形左右不对称,这主要是各光学元件的几何关系没有调好引起的。
实验时:
1)调节单缝的平面与激光束垂直。
检查方法是,观察从缝上反射回来的衍射光,应在激光出射孔附近;
2)调节缝与光强仪采光窗的水平方向垂直(或调节光强仪)。
这些都可以通过光栅架的水平/俯仰调节手轮来调节。
*曲线削顶调节
光强曲线出现“削顶”(“平顶”),有二种可能:
一是CCD器件饱和;
二是“SB14控制器”上丫增益调得太大。
一般先把丫增益调小,看波形是否改善,如仍削顶,转动减光器,增大减光量。
*曲线顶部凹陷调节
单缝衍射曲线主极大顶部出现凹陷,常发生在使用质量欠佳的玻璃基板的单缝时,主要是单缝的黑度不够,有漏光现象。
如将衍射光直接投射到屏上,可观察到主极大中间有一道黑斑。
*曲线不园滑漂亮
将衍射光直接投射到屏上,如发现衍射花样很乱,边缘不清晰,可能是缝的边缘不直或刀口上有尘埃。
再一个原因是CCD光强仪采光窗上有尖埃,可左右移动光强仪,寻找较好的工作区间。
四、实验内容和步骤
平行光的概念是理想化的概念,实际上,不论采用什么仪器和方法都不能获得绝对的平行光。
对于单缝,满足远场条件,不用透镜,也可取得较好的实验效果。
1.测量单缝夫琅禾费衍射的相对光强分布
(1)光路调整
尽可能将激光器、减光器、缝、CCD光强仪调整为等高共轴。
如用He-Ne激光器,最好先点燃半小时,并尽可能采用交流稳电源或选用自身带开关稳流功能的激光器,为的是激光功率稳定。
(2)测量数据
慢慢移动鼠标,读取衍射曲线上几个特殊点的X值、Y值和缝到CCD光敏面的垂直距离Z填入下表:
空间位置
光强
X(ch)
Mm
Y(A/D)
电压
注意:
*测量CCD器件至单缝间距离Z时,要考虑到CCD器件的受光面在光强仪前面板后4.5mm
*如较高级次暗纹与较低级次暗纹的Y读数相差较大,说明尚未满足远场条件;
如正方向与负方向暗纹的Y读数相差较大,说明单缝与CCD器件还没有调垂直。
*测量相对光强比时,一定要用Y值减去扫描基线的Y值,不能直接用Y值相比较。
(参见图4)
(3)计算和比较
实验值
理论计算值
中央明纹
一级暗纹
一级亮纹
0.0472
二级暗纹
二级亮纹
0.0165
三级暗纹
根据实验数据,可以计算出各级明纹和暗纹的衍射角和相对光强,还可以计算出所用单缝的缝宽a和所用光源的波长
,与理论值相比较,作出误差分析。
2.衍射法测量细丝直径
衍射法测量细丝直径在工业生产、自动控制和科研上已得到实际应用。
所依据的是互补原理,相同几何尺寸的单缝和单丝有着相同的衍射角分布。
实验时,细丝可悬挂在原来放置单缝的位置上,细丝下端捆一物体,让细丝有一定的张力。
直径用千分尺标定。
也可用“组合光栅”上的两条单丝来代替。
在“单缝衍射相对光强分布测量”时,让中央主级大光斑落在CCD采光窗的中间区域,为的是看清单缝衍射波形的全貌,如细丝测量时也这样按排,会产生一个问题,激光束的光斑和中央主极大一起落在CCD器件上,引起饱和。
从暗条纹出现条件公式
(2)可知,暗条纹是以中央明纹为对称轴等间隔地左右对称分布的,任意两条暗纹间的宽度为
。
因此,我们可以向正或向负方向将中央主级大移至采光窗外,减小减光器减光量或去掉减光器,让更高级次的暗纹出现在屏幕上,见图示10。
测量时,细心移动光标或鼠标,用逐差法或直接读出每一条暗纹的X值,列表记录。
每一暗纹读3-5次,取其平均值。
再计算出相邻暗纹间距的平均值
注意,这是个原始数据,必须乘以CCD光敏元的中心距才是暗纹的真实间距d。
由衍射公式单缝
(Z为单丝至CCD光敏面的距离)算得细丝直径
,并作出误差分析。
测量单缝的缝宽和所用光源的波长时,也可将中央主极大移至CCD采光窗外,可取得更多的数据,提高测量清度。
3.观察研究双缝干涉现象
利用CCD单缝衍射仪能实时显示曲线全貌的特点,选用“组合光栅”上第3、4、5组单缝/双缝,很容易显示出双缝受到单缝调制的现象和双缝干涉产生“缺级”的规律,即缺级发生在nd上,(d为双缝中心间距与缝宽的比值,n=1,2,,3,……)波形见附录。
4.观察研究多缝的干涉现象
在多缝干涉中,除有缺级现象外,在相邻主极大之间还在着N-2个次级大,N-1个极小(N为缝的条数),选用“组合光栅”上第6、7组3~5缝的衍射图,可清楚说明这个规律。
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