CCD衍射实验-计量技术实验教学中心-

上一页下一页主目录O 返回CCD衍射实验中国计量学院光学与电子科技学院制作人：余向东上一页下一页主目录O 返回提纲衍射实验的意义 1.实验目的 2.实验原理 3.仪器介绍 4.实验内容 5.思考练习上一页下一页主目录O 返回衍射实验的意义光波在传播过程中遇到障碍物时，都会发生偏离直线传播的现象，即衍射现象。光波的衍射现象是光的波动说的良好证明，采用惠更斯一菲涅耳原理可以非常好地解释各种光的衍射现象。从光的衍射现象，可以引入光学仪器分辨本领的概念。夫琅和费圆孔衍射是一个在一切使用透镜的光学系统中普遍存在的现象，因为任何一个单透镜成象，都可以看成两个透镜加上一个光阑的组合，因此几何光学中所谓的任何一个象点，实际上都不是点而是有一定半径的艾里斑。这种情况就产生了一个问题，即两个象点可能会发生重叠，重叠到一定程度，就无法分辨为两个点了。这就是所谓分辨本领的问题。上一页下一页主目录O 返回利用分析菲涅耳衍射的半波带法可以制成波带片，波带片和传统的透镜相比具有体积小、重量轻、不需要透明材料或高折射率材料，就可以实现聚焦或成象的优点，这在真空紫外区与软X 射线区特别有用。利用多缝夫琅和费衍射原理制成的光栅是光学系统中的重要元件，光栅最重要的应用是用作分光元件，使用光栅作分光元件的光谱仪称光栅光谱仪。衍射实验的意义上一页下一页主目录O 返回1.实验目的v 掌握单缝、双缝、多缝夫琅和费衍射原理。v 学会使用CCD衍射仪进行单缝、双缝、多缝夫琅和费衍射实验。v 掌握测量相对光强分布和衍射角的方法，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、光栅常数等。上一页下一页主目录O 返回2.实验原理基本概念l光的衍射l夫琅和费衍射实验原理l单缝夫琅和费衍射l双缝及多缝单缝夫琅和费衍射上一页下一页主目录O 返回基本概念光的衍射：光波在传播过程中遇到障碍物时，都会发生偏离直线传播的现象，即衍射现象。光的衍射现象是光的波动性的一种表现，可分为菲涅耳衍射与夫琅和费衍射两类。夫琅和费衍射：当光源和观察点都离屏无限远时，这类衍射称为夫琅和费衍射，又称远场衍射。实际上这类衍射是平行光通过光阑或障碍物后在透镜焦平面上所呈现的现象。无论是望远镜、显微镜还是其它用透镜成象的光学系统，包括人眼，实称上都有衍射现象，并且都可以看成是这一类衍射。上一页下一页主目录O 返回设波长为的平面波射向缝宽AB=b的狭缝，衍射后经透镜L 会聚在焦平面F，取x、z坐标如图所示根据惠一菲原理，在焦平面上任一点P的复振幅为实验原理：单缝夫琅和费衍射夫琅和费单缝衍射把狭缝细分为垂直于x轴的许多小面元，面积为dS=Ldx ，L是缝的长度由于U(Q)为常数，在角度不大的情况下。由于，故在振幅中的可视r为，只有相位因子中的不可略去。故上一页下一页主目录O 返回实验原理：单缝夫琅和费衍射把积分求出，得令则其中为=0时的光强，即衍射斑中心点的光强，的物理意义是狭缝的边缘与中心光线在P点产生的相位差。 (1) 上一页下一页主目录O 返回实验原理：单缝夫琅和费衍射以或作横坐标，以作纵坐标，对上式作图可得夫琅和费单缝衍射的光强分布，如图所示。参见图，由（1）式可见：单缝衍射的光强分布1、当时，，为中央主极大的强度，光强最强。 2、当时，，为第K级暗纹。由于，因此暗纹出现的条件为：（2） 3、从（2）可见，当时，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。4、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。上一页下一页主目录O 返回实验原理：双缝夫琅和费衍射两条缝的衍射光相互交叠的区域，不是简单地呈现光强的叠加，而是出现了由光强重新分布而产生的明暗相间的条纹。这种现象称为光的干涉。显然，光的干涉与光的衍射一样，都是波的叠加原理所必然导致的结果。夫琅和费双缝衍射如图，衍射屏上A、B处各有一条宽b的缝，缝间距为d。由于透镜的作用，这两条缝的衍射光在焦平面上的光强分布是完全一样的，但是它们的相位分布不同。把坐标原点分别放在A与B的中心，可得上一页下一页主目录O 返回实验原理：双缝夫琅和费衍射令为单缝中心与双缝中心的光在P点产生的相位差，则于是总光强为（3）上一页下一页主目录O 返回设，即，将式(3)作图，可得如图所示的光强分布。实验原理：双缝夫琅和费衍射夫琅和费双缝衍射的光强分布这是由与相乘而得的图样。在有双缝时，原来的单缝衍射图形不是平均地增加到原来的二倍，而是在处增加到原来的四倍，在处，降为零。由此可见，这种光强重新分布的干涉现象是波的叠加原理的必然结果。上一页下一页主目录O 返回实验原理：多缝夫琅和费衍射上面关于双缝衍射的讨论可以进一步推广到更多的缝。如图，有N条等间距的缝，缝宽均为b，间距为d，则相邻缝的对应程差为，相位差为利用和上述类似的方法可得多缝衍射的光强分布为夫琅和费多缝衍射（4）上一页下一页主目录O 返回实验原理：多缝夫琅和费衍射按式（4）画出光强分布如图所示。多缝衍射与双缝衍射的包络线相同，它们的区别在于多缝干涉的结果使极大值变细，峰值变高，而在两个极大值之间出现(N-1)个光强为零的值和(N-2)个次峰。当很大时，各主极大变得十分尖锐，可以用来进行计量和分光。这种很大的能产生多缝衍射的光学元件称为光栅，其满足的主极大条件或称为光栅方程，叫做光栅常数。上一页下一页主目录O 返回实验原理：多缝夫琅和费衍射值得注意的情况是，当干涉因子的某级主极大值刚好与衍射因子的某级极小值重合，这些主极大值就被调制为零，对应级次的主极大就消失了，这一现象叫作缺级。因为干涉主极大的位置由决定， m =0，1，2，而单缝衍射极小的位置由决定，，1，2，因此缺级的条件为总之，对于多缝夫琅和费衍射，缝间距d(光栅常数)给出各级主极大值的位置；缝宽b(联系单缝因子)仅影响光强在各主极大值之间的分配。上一页下一页主目录O 返回3.仪器介绍:仪器结构LM99PC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。 LM99PC外观一套完整的 LM99PC由光具座、激光器、连续减光器、组合光栅、LM601 CCD光强分布测量仪和CCD采集卡，外加一套计算机组成。上一页下一页主目录O 返回半导体激光器输出光强稳定。功率可调，寿命长。其： 635nm或650nm， 220V供电，输出 03mw可调。见图1 。在后面板上有一只调节激光强度的电位器。3.仪器介绍:LS635/LS650半导体激光器上一页下一页主目录O 返回3.仪器介绍:连续减光器连续减光器用二片偏振膜，一片固定，作起偏器，另一片可旋转，作检偏器，达到连续减光的目的。也可用于偏振实验。上一页下一页主目录O 返回组合光栅由光栅片和二维调节架构成，见图，光栅片上有7组图形，见图 3.仪器介绍:组合光栅 1 2 3 4 5 6 7光栅片结构上一页下一页主目录O 返回 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，有面阵和线阵之分。LM601 CCD光强仪所用的是线阵CCD器件，光敏元数2592个，光敏元中心距 11m ，光谱响应范围 0.350.9m 。 3.仪器介绍:CCD光强分布测量仪上一页下一页主目录O 返回 LM601 CCD光强仪后面板各插孔标记含义如下 “示波器/微机”：当光强仪配接的是CCD示波器时，将此开关打在“示波器”位置，“同步”脉冲频率为50Hz；当配接的是CCD采集卡时，把开关打在“微机”位置，“ 同步”脉冲频率为15Hz，“采样”脉冲频率为1015KHz 左右。 “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”。接红色插头电缆线。 “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。接黄色插头电缆线。“信号”：CCD器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端。接蓝色插头电缆线。 3.仪器介绍:CCD光强分布测量仪上一页下一页主目录O 返回3.仪器介绍:CCD光强分布测量仪 20ms0v5v信号信号光强环境光强401 : 102414m 501 : 204814m 601 : 259211m 801 : 53607m5v0信号光强（扫描基线）采样同步CCD光强仪后面板各插孔输出波形上一页下一页主目录O 返回 CCD采