衍射光强分布测量.docx

PAGE\*MERGEFORMAT12

衍射光强分布测量
***，物理学系
摘要：
本实验利用激光为光源研究激光经过单缝与单丝时的衍射光强度分布情况。激光的高准直性符合夫琅和费远场条件，且高单色性保证测量时没有不同波长光的叠加影响。光感应器方面使用光栅尺与电脑连接做0.02毫米/点的高精度自动扫描。通过巴比涅原理迂回得到了没有直射光时单丝的衍射光强分布，完整验证了运用衍射光强分布来测量小微物体的长度的方法和可行性，并实际运用此法测量了铜丝和头发丝的直径。

关键词：衍射分布巴比涅原理单缝直径测量

TheMeasurementoftheDistributionofLightDiffraction
YixiongKeYiLin,DepartmentofPhysics
Abstarct：
Thisexperimentmadeuseoflaserasthelightsourcetoverifyaseriesofdiffractionpatternsof633nmlaserviadifferentsingleslitsandmonofilaments.ThecollimationfeatureofthelasermeetstheconditionofFraunhoferdiffraction,themonochromicfeatureoflaserprovideabetterexperimentalenvironmentthatthediffractionpatternwon`tbeinterferebythelightofotherwavelength.WeuselinearencorderconnectedtoPCviaULI(UniversalLaboratoryInterface)asthesensortoautomaticallyscanthediffractionpatternwiththeratioof0.02mmperdot.WeuseBabinet’sprincipletogetthediffractionpatternofamonofilamentwithouttheeffectofthelightwhichsimplygothrough.Completelyverifiedthemethodandfeasibilityofmeasuringatinyobjectwithitsdiffractionpattern.Inaddition,wetrytomeasurethediameterofacopperwireandpeople’shairinthisway

Keywords:DiffractiondistributionBabinet`sPrinciplesingleslitsMeasureDiameteroftheWire

引言
衍射是波遇到障碍物时便利直线传播的现象。通常光的衍射现象难以观察与测量，难点在于很难做到光的单色性导致各个波长光互相叠加难以辨别。实验室中激光由于其高准直性与高单色性而非常适合用于衍射现象的研究，准直性符合夫琅禾费衍射中的远场条件，单色性使我们能得到严格单一波长光的衍射图像而非数个波长的叠加。实验室使用的衍射光强自动记录仪（以下简称光栅尺）使我们能非常方便地自动扫描高达0.02毫米每点的光强度分布曲线，实现了光学实验结果便捷、准确的数字化处理。通过对微小物体造成的衍射图样的分析，可以测量得到微小物体的几何尺度，甚至几何结构。大名鼎鼎的DNA双螺旋结构就是通过对X光衍射图像分析而完成的生命科学史上的巨大突破。

实验原理
1．衍射
衍射是波遇到障碍物是偏离直线传播的现象，出现明显衍射现象的条件是障碍物或狭缝尺寸与光波长所在数量级相近。因此对于波长在数百纳米的可见光来说，在日常生活中能够观察到的衍射现象较少，明显的衍射图样需要在实验室中进行观察与研究。
2．菲涅尔衍射与夫琅禾费衍射
菲涅尔衍射是指点光源或接收屏距离衍射缝有限远的情况（近场条件）。在此条件下光源发出的光到衍射缝有一个不可忽略的张角，即衍射屏中心与衍射屏边缘处存在着不可忽略的光程差，这种衍射情况叫做菲涅尔衍射。
夫琅禾费衍射
夫琅禾费衍射是点光源和接受屏距离衍射缝均无限远的情况，通常可用平行光或透镜等效实现这一条件，在此条件下衍射缝宽度范围内的入射光可以认为不存在光程差而等相位，这种衍射情况叫做夫琅禾费衍射。
3．高斯光束
激光器出射的激光的电磁场及照射强度分布近似满足高斯函数，因此激光出射光束在不可以简化为平行光时也可用高斯函数来更为精确地描述，其中激光束的参数有束腰宽度ω0（即光束直径最小值）瑞利距离ZR(ZR=πω02λ)。由此可用公式描述非束腰处光束宽度ω(Z)=ω01+ZZR2。这在激光束并不能很好地近