电磁场与微波测量实验报告 实Yan二单缝衍射实验 题目：电磁场Yu微波测量实验 学院：电子工程学院 Ban级：20132112xx 撰写人：xx Zu内成员：xxxx 一、实验Mu的 掌握电磁波的单缝衍射时衍射Jiao对衍射波强度的影响。 二、预习内容 Dian磁波单缝衍射现象。 三、实验设备 1、S426Xing分光仪： 用于验证平面波的传播特Dian，包括不同媒质分界面时发生的反射和折射等诸多Wen题。 分光仪的部分组件名称和简Yao介绍如下： 2、DH1121BXing三厘米固态信号源 该信号源是一种使用Ti效应管做震荡源的微波信号源，由振荡器、隔离器He主机组成。三厘米固态振荡器发出的信号具有单Yi的波长（出厂时信号调在λ=32.02mmShang），当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射Xin号电矢量的偏振方向是垂直的。可变衰减器Yong来改变微波 信号幅度的大小，衰减器的Du盘指示越大，对微波信号的衰减也越大。Jing体检波器可将微波信号变成直流信号或低频Xin号（当微波信号幅度用低频信号调制时）。 Si、实验原理 当一平面波入射到一Kuan度和波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的Xian象。在缝后面出现的衍射波强度并不是均匀的，中Yang最强，同时也最宽。在中央的两侧衍射波强度迅Su减小，直至出现衍射波强度的最小值，即Yi级极小，此时衍射角为∅=sin−1其Zhongλ是波长，α是 𝛼𝜆 狭Feng宽度。两者取同一长度单位，然后，随着衍射角增Da，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，Jiao度为：∅=sin−1(。 2𝛼3 𝜆 Wu、实验步骤 1、连接好仪器，调整衍She板缝宽至70mm，将该板固定在支座Shang，板平面和工作平台的90刻度线一致； 2、Zhuan动小平台使固定臂的指针指向小平台的180刻Du处，此时小平台的0刻度就是狭缝平面De法线方向； 3 、打开三Li米固态信号源，电流表偏转一定角度，调节信Hao电平使 表头指示接近满度； 4、Ji录下0度时电流表刻度，从可动臂向小圆盘方向看Qu，每向左旋转2度，记下一组刻度值，直到Jiao度达到52度； 5、将可动臂旋转回0Du，记下电流表数值，接下来每向右旋转2度，Ji下一组数值，由于旋转空间有限，我们取到了24Du； 6、保持输出信号不变，调整Yan射板缝宽至50mm，重https://www.fanwen99.cn/article/50814811.html复上述步骤，记录多Zu数据； 7、保持输出信号不变，Diao整衍射板缝宽至20mm，重复上述步骤，Ji录多组数据； 8、根据实验结果绘Zhi出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线，Ji算一级极小和一级极大的衍射角理论值，并与Shi验结果进行比较分析。 六、实验结果及分Xi 1、理论计算： 一级极小值为∅=sin−1θ=sin−1()，Suo以： 𝛼 2𝛼 ①②③ 𝜆3𝜆 Dangα=70mm，λ=32mm时，∅1=27.20°，θ1=43.29°； Dangα=50mm，λ=32mm时，∅2=39.79°，θ2=73.74°； Dangα=20mm，λ=32mm时，>1，Wu实际意义，所以不存在一级 𝛼𝜆 Ji大值和一级极小值。 2、实验数据： 3、Yan射曲线为： ①α=70mm，λ=32mmDe衍射曲线： ②α=50mm，λ=32mmDe衍射曲线： ④ α=20mm，λ=32mmDe衍射曲线： 由实验数据和曲线可得： ① Dangα=70mm，λ=32mm时，左侧Yi级极小值28°，一级极大值为48°，You侧未测得一级极大值和一级极小值； ② Dangα=50mm，λ=32mm时，左侧一级极小Zhi36°，一级极大值为40°，右侧未Ce得一级极大值和一级极小值； ③ Dangα=20mm，λ=32mm时，左侧一级Ji小值26°，一级极大值为32°，右侧一级Ji小值10°，一级极大值为18°。 4、实验Li论与实验结果比较分析： ①当α=70mm，λ=32mmShi： 由上表可知，当α=70mm，λ=32mmShi实验的理论值与测量值十分接近，误差较小，可以Yan证单缝衍射定理。 ②当α=50mm，λ=32mmShi： 由上表可知，当α=50mm ，λ=32mmShi一级极小值的理论值与测量值十分接近，误差较Xiao。但是一级极大值的理论值为73.7°，数Zhi较大，超出了此次试验的测量范围，未De到理论值附近的测量结果；实际测量结果Zhong显示极大值是40°，该值是由于外界干扰引起De衍射曲线的一个小波动，不能作为一级Ji大值使用，所以不能验证单缝衍射定理一级极大值De求解方法是否成立。 ③当α=20mm，λ=32mmShi： 当α=20mm时，α Shi验结论：发生衍射现象时，在一定精度范围内，Dan缝衍射定理成立。 七、实验结果误差分析 ①Ci次实验是在室内进行，各组同学进行实验操作时彼Ci距离较近且各组的发射天线、接收天线的方向基本Yi致，所以会对实验结果产生一些不可避免的干扰。 ②Chu此之外，进行调整仪器两臂之间的角度、改变狭缝De宽度等操作时，没有精密的校准装置，Jiao为粗略，也会引入一些误差。
中国计量学院实验报告 课程名Cheng:《光电基础实验》 实验项目:CCD Dan缝衍射实验 实验时间:2007.11.06 Yi、实验目的: 应用CCD单缝Yan射仪作光学实验项目中单逢,双逢,多逢,Shuang光束等的干涉,衍射实验.在电脑屏幕上Shi时显示曲线全貌,测量其相对光强分布和衍射Jiao.进而测量单缝的缝宽,单丝的直径,光源的Bo长,双缝的缝宽和缝间距,光栅常数. Er、实验内容与原理: 1. 实验原理: Guang的衍射现象是光的波动性的一种表现,可Fen为菲涅耳衍射击与夫琅和费衍射两 Lei。菲涅耳衍射是近场衍射,夫琅和费衍射是远场Yan射,又称平行光衍射。将单色点光源放置在透镜L 1De前焦面,经透镜后的光束成为平行光垂直照射在Dan缝AB 上,按惠更斯--菲涅耳原理,位Yu狭缝的波阵面上的每一点都可以看成一个新的子波Yuan,他们向各个方向发射球面子波,这些子波Xiang叠加经透镜L 2会聚后,在L 2的后焦面上Xing成明暗相间的衍射条纹,其光强分布规律Wei: 220 sin ϕϕ θI I = (1) Qi中 ϕπ λθ= a sin ,a Shi单缝宽度,θ是衍射角,λ为入射光波长。 You(1)式可见: a) 当θ=0时,I I θ=0,Wei中央主极大的强度,光强最强,绝大部分的光能都Luo在中央明纹上。 b) 当 sin (,,)θλ = =±±K a K 12 ShiI θ=0,为第K 级暗纹。由于夫琅He费衍 射时,θ很小,有θ≈sin θ,Yin此暗纹出现的条件为: θλ = K a (2) c. Cong(2)可见,当K=±1时,为主极大两侧第一级An条纹的衍射角,由此决定了中 央明纹的Kuan度 ∆θλ02= a ,Qi余各级明纹角宽度 ∆θλ K a = ,Suo以中央明纹宽度是其 它各级明Wen宽度的二倍。 2. 实验内容: a. Jiang实验系统安置在光具座上,并调整到相同高度。Shi激光器和单缝的距离尽量 远一Xie,激光器前的小孔光澜的孔尽可能小一些,Jiang激光束的大部分“高频” 成分滤除。Dan缝的CCD光强仪之间的距离尽可能满足原场条Jian。(首先调节光 源,减https://www.fanwen99.cn/article/50846162.html光器,光强仪的位Zhi,调整至光线可以很好的射入CCD光强仪Qian端的 采光窗口,然后在减光器和光强Yi之间放入组合光栅,利用白纸调整光所对的 Guang栅片,使光线可以进行相对要求的衍射。) b.Jiang“CCD光强仪”与“SB14控制器”Yi及显示器连接。(实际操作时已连接) c.Jian查电路连接 调整光路。曲线对Cheng调节,显示器看到图形左右不对称主要是各Guang学元件的几 何关系没有调好引起的。Guan察从缝上反射的衍射光,应在激光出射Kong附近,调 节单缝的平面和激光束垂直(Diao节缝和光强仪采光窗的水平方向垂直。) Qu线削顶调节:转动减光器,增大减光量。 Qu线顶部凹陷调节:主要是单缝的黑度不够,You漏光现象。 曲线不圆滑漂亮:可能是缝的Bian缘不直或刀口上有尘埃或是光强仪采光窗上有 Chen埃,可左右移动光强仪寻找较好的工作区Jian。 d.测量数据。移动光标,读Qu衍射曲线上的几个特殊点的各值。 e.Guan察研究双缝干涉和多缝干涉的现象。 三、Shi验器材: 光具座,激光器,减光器,Zu合光栅片,LM501 CCD光强分Bu测量仪,计算机 四、实验结果: Feng宽(mm) 空间位置光强相对Guang强 (I/I 0) sin Tiao纹X(ch) X(mm) Y(A/D) 电Ya 0.10中央明纹112012.32 3290 8.04 1 0 Yi级暗纹112812.41 43 0.11 0.014 0.00017 Yi级亮纹135514.91 215 1.16 0.144 0.0050 Er级暗纹146016.06 2 0.01 0.0012 0.0072 Er级亮纹13316.86 53 0.13 0.0162 0.0088 San级暗纹163317.96 -11 -0.02 -0.0025 0.011 0.12Zhong央明纹127213.99 3402 9.12 1 0 Yi级暗纹142815.71 198 0.49 0.054 0.0033 Yi级亮纹149016.39 359 0.90 0.099 0.0046 Er级暗纹1583 17.41 59 0.15 0.0164 0.0066 Er级亮纹1642 18.06 91 0.32 0.0351 0.0079 San级暗纹1729 19.02 29 0.07 0.0077 0.0097 Z=51.65cm Bei景强度225 0.54 缝宽(条纹Shi验值理论计算值 x Z θ ∆ = I I Xiang对光强b λ θ= I I Xiang对光强 中央明纹 0 1 0 1 Yi级暗纹 0.00017 0.014 0.0065 0 Yi级亮纹 0.0050 0.144 0.0475 Er级暗纹 0.0072 0.0012 0.013 0 Er级暗纹 0.0088 0.0162 0.0165 San级暗纹 0.011 -0.0025 0.0195 0 Zhong央明纹 0 1 0 1 一级暗纹 0.0033 0.054 0.0054 0 Yi级亮纹 0.0046 0.099 0.0472 Er级暗纹 0.0066 0.0164 0.0108 0 San级亮纹 0.0079 0.0351 0.0165 San级暗纹 0.0097 0.0077 0.0162 Wu、实验结果分析: 一,产生实Yan误差的原因有1.实验室里有背景光存在,对光强You影响2.光束和接受器,光栅不在一直线上,3Ren为读数,操作方面产生4。仪器精确度不够 Er,在做多光栅(N 条光栅)实验时,Ke看到在两主级大亮纹之间有N-2次级大,YouN-1暗纹 三,由于实验仪器对光非Chang灵敏,所以细微光强都会影响结果,所以实验Zai黑暗条件下做的 六、思考题: 1. 实Yan过程中,光栅片与接收屏之间要满足什么条件?为Shi么? 答:夫琅禾费衍射的条件是光Yuan在无限远,但实际是无法到达的,所以Guang栅片与接收屏 之间的距离要尽可能Man足远场条件,即1812 <<λ b 。 2. Dan缝和单丝衍射图样完全相同吗? Da:不完全相同。因为单丝衍射是光只在这条缝Shang不能通过,而单缝衍射是光只能透过一条Feng。只有自由光场为0时,单缝和单丝的衍射图样才Hui完全相同。即除中心点外,单缝和单丝衍射图Yang的强度分布相同。 七、教师批改评语: Cheng绩(百分制):
光的衍射实验 实 验 Shuo 明 书 北京方式科Ji有限责任公司 光的衍射实验 Yan射和干涉一样,也是波动的重要特征之Yi。波在传播过程中遇到障碍物时,能够绕Guo障碍物的边缘前进。这种偏离直线传播的Xian象称为波的衍射现象。波的衍射现象可以用惠Geng斯原理作定性说明,但不能解释光的衍射图样Zhong光强的分布。菲涅耳发展了惠更斯原理,为Yan射理论奠定了基础。菲涅耳假定:波在传播过程中,Cong同一波阵面上各点发出的子波,经传播而Zai空间相遇时,产生相干叠加。这个发展了De惠更斯原理称为惠更斯-菲涅耳原理 【Shi验目的】 1.研究单缝夫琅禾费衍射的光Qiang分布; 2.观察双缝衍射和单缝衍射之Jian的异同,并测定其光强分布,加深对衍射理Lun的了解; 3.学习使用光电元件进行光强Xiang对测量的方法。 【实验仪器】 Feng元件、光学实验导轨、半导体激光器、激光功率Zhi示计、白屏、大一维位移架、十二档光探Tou。【实验原理】 (一)产生夫琅禾Fei衍射的各种光路 夫琅禾费衍射的定义Shi:当光源S和接收屏∑都距离衍射屏D无限远(Huo相当于无限远)时,在接收屏处由光源及衍She屏产生的衍射为夫琅禾费衍射。但是把S和∑放在Wu限远,实验上是办不到的。在实验中常常借助于Zheng透镜来实现,实际接收夫琅和费衍射的装Zhi有下列四种。 1.焦面接收装置(Yi单缝衍射为例来说明,下同) 把点光YuanS放在凸透镜L1的前焦点上,在凸透镜L2的后Jiao面上接收衍射场(图1) 2.远场接收Zhuang置 在满足远场条件下,狭缝前Hou也可以不用透镜,而获得夫琅禾费衍射图样。Yuan场条件是:①光源 离狭缝很远,Ji λ42 a R>>,其ZhongR为光源到狭缝的距离,a为狭缝的宽度;②接Shou屏离狭缝足够远, 即λ42a Z >>,Z Wei狭缝与接收屏的距离。(至于观察点P ,Zaiλ 42 a Z >>的条件Xia,只要要求P 满足傍 轴条件。)图2Wei远场接收的光路,其中假定一束平行光垂直投射在Yan射屏上。 如图1所示,从光源S Chu发经透镜L 1形成的平行光束垂直照射到缝Kuan为a 的狭缝D 上,根据惠更斯-菲涅耳Yuan理,狭缝上各点都可看成是发射子波的新 Bo源,子波在L 2的后焦面上叠加形成一Zu明暗相间的条纹,中央条纹最亮亦最宽。 (Er)夫琅禾费衍射图样的规律 1.单缝De夫琅禾费衍射 实验中以半导体激光Qi作光源。由于激光束具有良好的方向性,平Xing度很高,因而可省去准直透镜L 1。Bing且,若使观察屏远离狭缝,缝的宽度远远小于Feng到屏的距离(即满足远场条件),则透镜L 2也Ke省略。简化后的光路如图3所示。实验证明,当Z Yue等于100cm ,a 约等于8⨯10-3cm Shi,便可以得到比较满意的衍射花样。 图3Zhong,设屏幕上P 0(P 0位于光轴上)处是中Yang亮条纹的中心,其光强为I 0,屏幕上Yu光轴成θ角(θ在光轴上方为正,下方为Fu)的P θ处的光强为I θ,则理论计算得Chu: 2 20 sin ββ θI I = (1) Qi中 λ θ πβs i n a = Shi中θ为衍射角,λ为单色光的波长,a Wei狭缝宽度,由式(1)可以得到: (1) Dang0=β即(0=θ)时,0I I =θ,Guang强最大,称为中央主极大。在其他条件Bu变的情况下, 此光强最大值I 0与狭Feng宽度a 的平方成正比。 (2) 当πβk =Shi(k =±1, ±2, ±3),0,sin ==θλθI k a ,Chu现暗条纹。在θ很小时,可以用θ代替sin θ。 Yin此,暗纹出现在a k λθ= 的Fang向上。显然,主极大两侧两暗纹之间的角距离a λ θ20=∆,Wei其他相邻暗纹之间角距离a λ θ= ∆De两倍。 (3) 除了中央主极强以外,两Xiang邻暗纹之间都有一次极强出现在0)sin (2=β β βd d Wei置上,要求β 值为:±1.43π,±2.46π,±3.47π,…Dui应的sin θ值a λ 43.1±,a λ 46 .2±,a λ 47 .3±…,Ge次极 强的强度依次为0.047 I 0,0.017 I 0,0.008 I 0,… Yi上是单缝夫琅禾费衍射的理论结果,其光强分布Qu线如图4所示。 2.双缝衍射 Jiang图1中的单缝D 换成双缝,每条缝的Kuan度仍为a ,中间隔着宽度为b 的不透Ming部分,则两缝的间距为d=a+b,如图5所示。Li论计算得出,屏幕上P θ处的光强分Bu为: νβ β θ22 20 cos sin 4I I = (2) Qi中λ θ πνλθπβsin ,sin d a == π π π π π π Tu4 式(2)表明,双缝衍射图样De光强分布由两个因子决定:其一是 2 2sin β β ,Ji单缝夫琅禾费衍射 图样的光强分布;其二Shi4I 0cos 2v ,它表示光强同为I 0Er相位差2v 的两束光所产生的干涉图样的光强分Bu。因此双缝夫琅禾费衍射图样是单缝衍射和双缝干She这两个因素联合作用的结果。 由式(2)Ke以得出:(1) 只有这两个因子中有Yi个为零,则光强为零。就第一个因子2 2sin β β Er 言,光强为零的条件是: πλ θ πβk a == sin (3) Jiλθk a =sin (k =±1, ±2, ±3…) Jiu第二个因子cos 2v 而言,光强Wei零的条件是: πλθπν)2 1 (sin -±== m d Jiλθ)2 1 (sin -±=m d (m =1, 2, 3…) (4) (2) Chu现双缝干涉光强极大值的条件是: πλ θ πνn d == sin Jiλθn d =sin (n =0,±1, ±2, ±3…) (3) Dangλθn d =sin 确定的干涉极大正好与由λθk a =sin Que定的衍射极小的位置重合时,那么第n 级 Gan涉极大将不会出现,这称为缺级。即当: a d k n = Shi发生缺级。例如 3=a d ,Ze缺少±3,±6,±9,…各级,其光强分布曲Xian如图8所示。 3.测量光强的元件-Guang电池 光电池是利用半导体的光电效应Zhi成的元件,常用的光电池有硒光电池和硅Guang电池两种。如果把 功率指示计连接到光电Chi的两极,同时用光照射光电池表面,电路中就Hui有光电流。在照度不太大时,光电流与入射光Tong量成正比,叫做线性响应。线性响应范围与负载Dian阻的阻值Rg有关,当Rg=0时,可得到Zui大的线性响应范围。因此,在实际应用https://www.fanwen99.cn/article/50847125.html中,要Xuan用低内阻的电流计。 附:激光功率计Shi用说明书 OPT-1A型激光功率指示计Shi一种数字显示的光功率测量仪器,采用硅光电Chi作为光传感器,针对650nm波长的Ji光进行了标定,用于测量该波段的激光功率。如图: Qian面板 1、表头:3位半数字表Tou,用于显示光强的大小。 2、量程选择Niu:分为200uW、2mW、20mW、200mWSi个标定量程和可调档;测量时尽量采用He适的量 程,如测得的光强为1.732mW,Ze采用2mW量程。可调档显示的是光强的相对值。 3、Diao零:调零时应遮断光源,旋动调零旋钮,使显示Wei零,调零完毕。 后面板 探头 1、Gai光探头在硅光电池前加上一多结构光栏,可用于Guang斑定位,光强分布、光斑结构测量等。 2、Jie构分别为圆孔和细缝;圆孔直径为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0mm,Feng宽0.2、0. 3、0. 4、 0.8、1.2mm。 3、Zai使用时,用此探头与OPT-1A型激光Gong率指示计连接即可,用户根据实际测量需要,采用Xiang 应的采光档位(硅光电池置于Guang栏正上方)。 1、电源开关按钮:Dian源开关(220VAC)。 2、LDCha座:本功率指示计可作为我公司生产的Ban导体激光器的电源。 3、光探头插Zuo:与光探头相连接。 4、探头:Nei置硅光电池,与光探头插座相连接。 Shi用方法: 1)连接好激光探头He220v电源(均在后面板上) 2)打Kai后面板上的电源开关,数值表头亮 3)将Ji光探头对准被测的激光束,使光束进入测量Kong。 4)根据光功率的大小选择适当De量程。量程刻度上的值为该量程可测量的Zui大值,如200μW是指 该档最大测Liang200μW的激光功率,单位为微瓦,当Guang功率大于该档最大指示值时,表头溢出显示“1”。 5)Yi器量程分为200μW、2mW、20mW、200mWHe可调档5个量程。当波段开关打到可调档时, Lian接的电位器可改变表头指示。该档主要用Yu测量相对值,如要测量两束光的功率比值或光Qiang分布等。 6)调零电位器是用于调整Yi器的“0”点的。即在无光照时,应将仪Qi的指示值调为“0”。 7)本功率指Shi计后面板还提供了一个半导体激光电源插Zuo,可为我公司的半导体激光器提供电源。 【Shi验步骤】 1. 将导轨平稳地放置在一Ge坚固的平台上。 2.将半导体Ji光器放置于导轨的一端,缝元件架紧靠Ji光器放置,将一维位移架放置在导轨的另一 Duan,放上12档光探头并锁紧,调节光探头到一维Wei移架的中间区域。 3.调整激Guang器指向方位和光探头的高低,使激光准确进入探Ce光栏孔。 4.在缝元件架上放上Feng元件,根据实验内容将要被测的缝或光栅调入光Lu,在光探头端就会出现一 条干涉或Yan射图案。 5.旋转探头上的光栏Pan使0.2mm缝光栏进入探测位置。 6.Zhuan动一维位移架上的丝杠钮,使探头从一端向另一端Jin行扫描探测,每隔0.5-1mm记录一Ci光 电流的数值。 7.根据测量Shu据,在坐标纸上作出相对光强Iθ/I o(即Xiang对电流jθ/j o)与位置X的关系曲线,也即Yan射光 强分布图,并与理论结果进行比较。(Wei消除杂散光的影响,应将每一测量值减去背Jing光电流,或者当检流计接入电路后,在背景光照She下调整零点。) 8.从实验导Gui上读出或用米尺测出缝到光电池的距离,计Suan狭缝宽度a。