LM99 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统南京浪博科教仪器研究所 025-86200631/86200632/86200633 longbowvip.sina.com1前言前言随着科技进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，先进的光学实验室也不再用测量望远镜或丝杠带动光电池来测量干涉、衍射花样的光强分布，所使用的都是以 CCD 器件为核心构成的各种光学测量仪器。LM99 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统用线阵 CCD 器件接收光谱图形和光强分布，利用示波器对采集到的数据进行显示处理，或利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数据进行分析处理，通过直观的方式得到我们需要的结果。与其他产品相比，LM99 具有分辨率高（微米级） ，实时采集、实时处理和实时观测，观察方式多样，物理现象显著，物理内涵丰富，软件功能强大等明显的优点，是传统单缝衍射仪的升级换代产品。第第 1 1 章章 实验目的和原理实验目的和原理【实验目的实验目的】CCD 单缝衍射仪用于光学实验项目中作单缝、单丝、双缝、多缝、双光束等的干涉、衍射实验。通过采集系统实时获得曲线，测量其相对光强分布和衍射角，进而测量单缝的缝宽、单丝的直径、光源的波长、双缝的缝宽和缝间距、光栅常数、激光束发散角测量等。【实验原理实验原理】（一） 、光的衍射现象是光的波动性的一种表现，可分为菲涅耳衍射击与夫琅禾费衍射两类。菲涅耳衍射是近场衍射，夫琅禾费衍射是远场衍射，又称平行光衍射。见图 1。将单色点光源放置在透镜L1 的前焦面，经透镜后的光束成为平行光垂直照射在单缝 AB 上，按惠更斯-菲涅耳原理，位于狭缝的波阵面上的每一点都可以看成一个新的子波源，他们向各个方向发射球面子波，这些子波相叠加经透镜 L2 会聚后，在 L2 的后焦面上形成明暗相间的衍射条纹，其光强分布规律为： （1）220sin II其中 ，a 是单缝宽度，是衍射角，为入射光波长。 asinLM99 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统南京浪博科教仪器研究所 025-86200631/86200632/86200633 longbowvip.sina.com2参见图 2，由（1）式可见：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。 0II02、当时，为第 K 级暗纹。由于夫琅禾费衍射时， 很小，sin(,) K aK1 2 L LI 0有 Sin，因此暗纹出现的条件为：（2）K a3、从（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。02aKaP0L2 L1SZAA BCC图 1 单缝衍射sin0 a2I0IIa2a3a a图 2LM99 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统南京浪博科教仪器研究所 025-86200631/86200632/86200633 longbowvip.sina.com34、除中央主极在外，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I I011.43 a0.04722.46 a0.01733.47 a0.008（二） 、由多缝夫琅和费衍射理论，多缝衍射花样具有如下主要特征：（1）与单缝衍射花样相比，多 缝的衍射花样中出现了一系列新的强度极大和极小，其中那些较强的亮线叫做主极强主极强，较弱的亮线叫 做次极强次极强；（2）主极强的位置与缝数 N 无关，但它们的宽度随 N 减小；（3）相邻主极强间有 N-1 条 暗纹和 N-2 个次极强；（4）强度分布中都保留了单缝衍射的痕迹，那就是曲线的包络（外部轮廓）与 单缝衍射强度曲线的形状一样。（三） 、从广义上说，具有周期性的空间结构或光学性能的衍射屏，统称光栅。本实验中采用的是透射 式光栅，在一块不透明的障板上刻划出一系列等宽又等间隔的平行狭缝。设每条缝的宽度仍为 a，缝间 不透明部分的宽度为 b，则狭缝上边缘和上边缘或下边缘和下边缘之间的距离，也即光栅常数为 d=a+b，其示意图如下。其中每毫米光栅片的距离上的光栅条数为光栅周期（本实验中采用的光栅片的光栅周期为 50） 。 光栅衍射及光波波长的测定。由夫琅和费衍射理论，当波长为的单色光垂直入射至光栅上，满 足光栅方程（） 时，kdsin0, 1, 2, 3,k L方向的光加强，其余方向的光几乎完全抵消。式中为光栅常数，为衍射角。若一直，则可求d ；若已知，则可求。ddLM99 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统南京浪博科教仪器研究所 025-86200631/86200632/86200633 longbowvip.sina.com4第第 2 章章 系统组成系统组成一套完整的 LM99 包括光具座、激光器、组合光栅片（置于组合光栅架上）和 LM501/601 CCD光强分布测量仪。在终端，如果用示波器进行实验，则构成了示波器型 LM99MP；如果用计算机进行实验，则构成了微机型 LM99PC（微机型 LM99PC 还需配备 USB100 数据采集盒及工作软件） 。图 3 和图 4 分别图示了微机型 LM99PC 和示波器型 LM99MP 的安装。各部件介绍如下：1激光器激光器： 小功率的半导体激光器或 He-Ne 激光器均可在 LM99 上使用。我们标配的半导体激光器的上盖和侧壁分别有两个调节旋钮，用于调节激光束的上下俯仰和左右偏转，后面板上还有一个旋钮用于调节光强；2 2组合光栅组合光栅： 由光栅片和二维调节架构成，见图 5；光栅片有 7 组图形，见下表及图 6。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，d=2）三缝（a=0.02mm，d=2）第 7 组四缝（a=0.02mm，d=2）五缝（a=0.02mm，d=2）d 为缝中心的间距与缝宽的比值。几组多缝结构按排是针对母国光等编光学P223P227；P325P331 的教学内容所设计。LM99 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统南京浪博科教仪器研究所 025-86200631/86200632/86200633 longbowvip.sina.com53CCD 光强分布测量仪光强分布测量仪：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。LM601/501 CCD 光强仪所用的是线阵 CCD 器件，性能参数如下表。LM601/501 CCD 光强仪机壳尺寸为 150mm100mm50mm，CCD 器件的光敏面至光强仪前面板距离为 4.5mm。型号光敏元素光敏元尺寸光敏元中心距光谱响应范围光谱响应峰值LM601S2700 个1111m11m0.30.9m0.56mLM6012592 个1111m11m0.30.9m0.56mLM5012048 个1414m14m0.20.9m0.56mLM601/501 CCD 光强仪后面板各插孔标记含义如下，其输出波形见图 7：“同步同步”：Q9 头，示波器型用。启动 CCD 器件扫描的触发脉冲，主要供示波器触发用。 “同步”的含意是“同步扫描” ，与示波器的触发端口相连。“信号信号”：Q9 头，示波器型用。CCD 器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端，与示波器的某一路信号端口相连。光栅片水平调节手轮俯仰调节手轮二维调节架图 5：组合光栅1 2 3 4 5 6 7图 6：光栅片LM99 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统南京浪博科教仪器研究所 025-86200631/86200632/86200633 longbowvip.sina.com6DB9 插头：插头：微机型用，连至 USB100 计算机数据采集盒。4USB100 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，同时以 DB15 插座通过电缆线与LM601/501 CCD 光强仪后面板上的 DB9 插座相连。采集盒上有一个 12 位的 A/D 转换器，也就是说可以把 CCD 器件上每一个光敏单元上的光强信号分成 4096 个灰度等级。空间分辨率与所使用的 CCD 光强仪的型号有关，在 11m14m 之间。采集盒对计算机要求不高，586 最小配置，有 USB 接口就可以了。相应的工作软件在另文中介绍。第第 3 章章 安装调节和使用注意安装调节和使用注意整套 LM99PC/MP 的安装请参照图 3/4 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。具体步骤如下： 1激光器、光栅架和 CCD 光强仪的底端都有直径为10 的立杆插口，用立杆将它们顺序安置在马鞍座上，其中 CCD 光强仪置于三维马鞍座上。将这些马鞍座都置于导轨上；2 光栅架上有两个簧片，光栅片放上去后，用这两个簧片夹紧固定；3 单缝（即光栅片）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） ；2a84 对于微机型 LM99PC，用两端是 DB15（15 芯）和 DB9（9 芯）的插头连接 USB 采集盒和 CCD 光强仪，再用 USB 线将 USB 采集盒与计算机相连；0 信号光强 (扫描基线)信号信号光强环境光强401 : 102414m 501 : 204814m 601 : 259211m 801 : 53607m 5v 采样0v5v 同步图 7 CCD 光强仪后面板各插孔输出波形0vLM99 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统南京浪博科教仪器研究所 025-86200631/86200632/86200633 longbowvip.sina.com75 对于示波器型 LM99MP，用 1 根双 Q9 头的信号线连接示波器的信号输入端和 CCD 光强仪后面板上的“信号”插口，用另 1 根双 Q9 头的信号线连接示波器的同步触发端（外触发方式）和 CCD光强仪后面板上的“同步”插口；6 接通各部件的电源。调节激光器的俯仰和偏转旋钮、调节各部件的高度、调节 CCD 光强仪的左右上下位置，使激光束通过光栅片的各图形（通过光栅架上的左右移动手轮来选择某一组图形）后能射入 CCD 光强仪前端的采光窗口，从而射到 CCD 线阵上；7 开始调节时，可先在 CCD 光强仪的采光窗口前放一白纸，让衍射光斑射在此白纸上，调节光路，直至衍射图案正确、清晰后再移走白纸，让光斑射入 CCD 光强仪前端的采光窗口，从而射到 CCD线阵上； 8启动工作软件（微机型）后点击“开始采集”或者调整好示波器（示波器型） ，仔细调节，应能看到如附件里所示的样本曲线；使用中有几点需要注意：1 M601/501CCD 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，在 CCDWIN 软件或示波器上显示出的采集曲线为全高；在没有暗室的情况下，可以在 LM601/501 CCD 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） ； 2 如果采集到的曲线出现了“削顶” ，则有两种可能：一是 CCD 器件饱和，说明信号光过强（注意：不是环境光过强） ，这时可以减小激光器的功率；二是软件中选项里的增益参数调得太大，应使之减小（一般置于增益为 1） ；3 一般的衍射花样是