电磁场与微波测量实验报告 实Yan二单缝衍射实验 题目：电Ci场与微波测量实验 学院：电子Gong程学院 班级：20132112xx 撰写人：xx Zu内成员：xxxx 一、实Yan目的 掌握电磁波的单缝衍射时衍She角对衍射波强度的影响。 二、Yu习内容 电磁波单缝衍射现象。 三、Shi验设备 1、S426型分光仪： Yong于验证平面波的传播特点，包括不同媒质Fen界面时发生的反射和折射等诸多问题。 Fen光仪的部分组件名称和简要介绍如下： 2、DH1121BXing三厘米固态信号源 该信号源是一Zhong使用体效应管做震荡源的微波信号源，由振荡器、Ge离器和主机组成。三厘米固态振荡器发Chu的信号具有单一的波长（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，Fa射信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，衰减器的度Pan指示越大，对微波信号的衰减也越大。晶体检Bo器可将微波信号变成直流信号或低频信号（当Wei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宽度He波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。Zai缝后面出现的衍射波强度并不是均匀的，Zhong央最强，同时也最宽。在中央的两侧衍射波强Du迅速减小，直至出现衍射波强度的最小值，即一级Ji小，此时衍射角为∅=sin−1其中λShi波长，α是 𝛼𝜆 狭缝宽度。Liang者取同一长度单位，然后，随着衍射角增大，Yan射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，角度Wei：∅=sin−1(。 2𝛼3 𝜆 Wu、实验步骤 1、连接好仪器，调整Yan射板缝宽至70mm，将该板固定在支座上，板平Mian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180Ke度处，此时小平台的0刻度就是狭缝平面的法线Fang向； 3 、打开三厘米Gu态信号源，电流表偏转一定角度，调节信号电Ping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Kan去，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，调整衍射板Feng宽至50mm，重https://www.3rxing.org/question/bcdf27fc44143590313.html复上述步骤，记录多组数据； 7、Bao持输出信号不变，调整衍射板缝宽至20mm，Zhong复上述步骤，记录多组数据； 8、Gen据实验结果绘制出单缝衍射强度与衍射角的Guan系曲线，计算一级极小和一级极大的衍射Jiao理论值，并与实验结果进行比较分析。 Liu、实验结果及分析 1、理论计算： Yi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，无实Ji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，左侧一级Ji小值28°，一级极大值为48°，右侧未测得Yi级极大值和一级极小值； ② 当α=50mm，λ=32mmShi，左侧一级极小值36°，一级极大值为40°，You侧未测得一级极大值和一级极小值； ③ Dangα=20mm，λ=32mm时，左侧一级极Xiao值26°，一级极大值为32°，右侧Yi级极小值10°，一级极大值为18°。 4、Shi验理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Cha较小。但是一级极大值的理论值为73.7°，Shu值较大，超出了此次试验的测量范围，未得Dao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Gan扰引起的衍射曲线的一个小波动，不能作为一级极Da值使用，所以不能验证单缝衍射定理一级极Da值的求解方法是否成立。 ③当α=20mm，λ=32mmShi： 当α=20mm时，α 实Yan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Cha分析 ①此次实验是在室内进行，Ge组同学进行实验操作时彼此距离较近且Ge组的发射天线、接收天线的方向基本一致，Suo以会对实验结果产生一些不可避免的干Rao。 ②除此之外，进行调整仪器两Bi之间的角度、改变狭缝的宽度等操作时，Mei有精密的校准装置，较为粗略，也会引入一些Wu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单缝衍射仪作光Xue实验项目中单逢,双逢,多逢,双光束Deng的干涉,衍射实验.在电脑屏幕上实时显Shi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,光源的波长,Shuang缝的缝宽和缝间距,光栅常数. 二、实Yan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,可分Wei菲涅耳衍射击与夫琅和费衍射两 类。Fei涅耳衍射是近场衍射,夫琅和费衍射是远Chang衍射,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Zhi照射在单缝AB 上,按惠更斯--菲涅耳原理,Wei于狭缝的波阵面上的每一点都可以看成一个Xin的子波源,他们向各个方向发射球面子波,这些Zi波相叠加经透镜L 2会聚后,在L 2的后焦面Shang形成明暗相间的衍射条纹,其光强分布规律为: 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Chang。 由(1)式可见: a) 当θ=0Shi,I I θ=0,为中央主极大的强度,Guang强最强,绝大部分的光能都落在中央明Wen上。 b) 当 sin (,,)θλ = =±±K a K 12 ShiI θ=0,为第K 级暗纹。由于夫琅禾费衍 She时,θ很小,有θ≈sin θ,因此暗Wen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Di一级暗条纹的衍射角,由此决定了中 央明Wen的宽度 ∆θλ02= a ,其Yu各级明纹角宽度 ∆θλ K a = ,Suo以中央明纹宽度是其 它各级明纹宽度的二Bei。 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Du。使激光器和单缝的距离尽量 远一些,Ji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Zu原场条件。(首先调节光 源,减https://www.3rxing.org/question/8e4a81af12143567428.html光器,Guang强仪的位置,调整至光线可以很好的射入CCDGuang强仪前端的 采光窗口,然后在减光器和Guang强仪之间放入组合光栅,利用白纸调整光所Dui的 光栅片,使光线可以进行相对要求的衍She。) b.将“CCD光强仪”与“SB14Kong制器”以及显示器连接。(实际操作时已连接) c.Jian查电路连接 调整光路。曲线对称调节,Xian示器看到图形左右不对称主要是各光学元件De几 何关系没有调好引起的。观察从Feng上反射的衍射光,应在激光出射孔附近,Diao 节单缝的平面和激光束垂直(调节Feng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,有漏光Xian象。 曲线不圆滑漂亮:可能是缝的边Yuan不直或刀口上有尘埃或是光强仪采光窗上You 尘埃,可左右移动光强仪寻找较好的Gong作区间。 d.测量数据。移动光标,读取Yan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。 San、实验器材: 光具座,激光器,减光器,Zu合光栅片,LM501 CCD光强分布测量仪,Ji算机 四、实验结果: 缝宽(mm) Kong间位置光强相对光强 (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Ji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,产生实验Wu差的原因有1.实验室里有背景光存在,对光Qiang有影响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,可Kan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Dui光非常灵敏,所以细微光强都会影响结果,所以Shi验在黑暗条件下做的 六、思考题: 1. Shi验过程中,光栅片与接收屏之间要满足什么条Jian?为什么? 答:夫琅禾费衍射的条件是Guang源在无限远,但实际是无法到达的,所以光Zha片与接收屏 之间的距离要尽可能满足远场Tiao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Tiao缝上不能通过,而单缝衍射是光只能透过一条缝。Zhi有自由光场为0时,单缝和单丝的衍射图Yang才会完全相同。即除中心点外,单缝和单丝衍射Tu样的强度分布相同。 七、教师Pi改评语: 成绩(百分制):
光的衍射实验 实 验 Shuo 明 书 北京方Shi科技有限责任公司 光的衍射实Yan 衍射和干涉一样,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Rao过障碍物的边缘前进。这种偏离直线传播De现象称为波的衍射现象。波的衍射现象Ke以用惠更斯原理作定性说明,但不能解释光的衍射Tu样中光强的分布。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Bo过程中,从同一波阵面上各点发出的子波,Jing传播而在空间相遇时,产生相干叠加。这个Fa展了的惠更斯原理称为惠更斯-菲涅耳原Li 【实验目的】 1.研究单缝夫琅He费衍射的光强分布; 2.观察Shuang缝衍射和单缝衍射之间的异同,并测定其光强分Bu,加深对衍射理论的了解; 3.学Xi使用光电元件进行光强相对测量的方法。 【Shi验仪器】 缝元件、光学实验导轨、半导体Ji光器、激光功率指示计、白屏、大一维位移架、Shi二档光探头。【实验原理】 (一)产Sheng夫琅禾费衍射的各种光路 夫琅He费衍射的定义是:当光源S和接收屏∑都距离衍射PingD无限远(或相当于无限远)时,在接收屏Chu由光源及衍射屏产生的衍射为夫琅禾费Yan射。但是把S和∑放在无限远,实验上是办不Dao的。在实验中常常借助于正透镜来实现,实际接收Fu琅和费衍射的装置有下列四种。 1.Jiao面接收装置(以单缝衍射为例来说明,下同) Ba点光源S放在凸透镜L1的前焦点上,在凸Tou镜L2的后焦面上接收衍射场(图1) 2.Yuan场接收装置 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,即 λ42 a R>>,Qi中R为光源到狭缝的距离,a为狭缝的宽度;②Jie收屏离狭缝足够远, 即λ42a Z >>,Z Wei狭缝与接收屏的距离。(至于观察点P ,在λ 42 a Z >>De条件下,只要要求P 满足傍 Zhou条件。)图2为远场接收的光路,其中假定一Shu平行光垂直投射在衍射屏上。 Ru图1所示,从光源S 出发经透镜L 1形成的Ping行光束垂直照射到缝宽为a 的狭缝D 上,Gen据惠更斯-菲涅耳原理,狭缝上各点都可看成是Fa射子波的新 波源,子波在L 2的Hou焦面上叠加形成一组明暗相间的条纹,中央条纹最Liang亦最宽。 (二)夫琅禾费衍射图样的规律 1.Dan缝的夫琅禾费衍射 实验中以半导体激Guang器作光源。由于激光束具有良好的方向性,平行Du很高,因而可省去准直透镜L 1。并且,Ruo使观察屏远离狭缝,缝的宽度远远小于缝到Ping的距离(即满足远场条件),则透镜L 2Ye可省略。简化后的光路如图3所示。实验证Ming,当Z 约等于100cm ,a 约等Yu8⨯10-3cm 时,便可以得到比Jiao满意的衍射花样。 图3中,设屏幕上P 0(P 0Wei于光轴上)处是中央亮条纹的中心,其光强为I 0,Ping幕上与光轴成θ角(θ在光轴上方为正,Xia方为负)的P θ处的光强为I θ,则理论Ji算得出: 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 为Xia缝宽度,由式(1)可以得到: (1) Dang0=β即(0=θ)时,0I I =θ,光强最Da,称为中央主极大。在其他条件不变的情况Xia, 此光强最大值I 0与狭缝宽度a De平方成正比。 (2) 当πβk =时(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Ju离a λ θ20=∆,为其他Xiang邻暗纹之间角距离a λ θ= ∆De两倍。 (3) 除了中央主极强Yi外,两相邻暗纹之间都有一次极强出现Zai0)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Fen布曲线如图4所示。 2.双缝衍射 Jiang图1中的单缝D 换成双缝,每条缝的宽度Reng为a ,中间隔着宽度为b 的不透明Bu分,则两缝的间距为d=a+b,如图5Suo示。理论计算得出,屏幕上P θ处的光强分布为: 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Yang的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;Qi二是4I 0cos 2v ,它表示光强Tong为I 0而相位差2v 的两束光所产Sheng的干涉图样的光强分布。因此双缝夫琅He费衍射图样是单缝衍射和双缝干涉这两个Yin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一Ge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,光强为零的Tiao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Da正好与由λθk a =sin 确定的衍射Ji小的位置重合时,那么第n 级 干涉极Da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Bu曲线如图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Xiao应制成的元件,常用的光电池有硒光电池和硅光Dian池两种。如果把 功率指示计连接Dao光电池的两极,同时用光照射光电池表面,电路Zhong就会有光电流。在照度不太大时,光电Liu与入射光通量成正比,叫做线性响应。线性Xiang应范围与负载电阻的阻值Rg有关,当Rg=0Shi,可得到最大的线性响应范围。因此,在实Ji应用https://www.3rxing.org/question/481fedb854143571477.html中,要选用低内阻的电流计。 附:激Guang功率计使用说明书 OPT-1A型Ji光功率指示计是一种数字显示的光功率测Liang仪器,采用硅光电池作为光传感器,针对650nmBo长的激光进行了标定,用于测量该波段的Ji光功率。如图: 前面板 1、Biao头:3位半数字表头,用于显示光强的大Xiao。 2、量程选择钮:分为200uW、2mW、20mW、200mWSi个标定量程和可调档;测量时尽量采用合适De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De相对值。 3、调零:调零时应遮断光源,Xuan动调零旋钮,使显示为零,调零完毕。 Hou面板 探头 1、该光探Tou在硅光电池前加上一多结构光栏,可用于光斑Ding位,光强分布、光斑结构测量等。 2、结Gou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型激光功率Zhi示计连接即可,用户根据实际测量需要,采用相 Ying的采光档位(硅光电池置于光栏正上方)。 1、Dian源开关按钮:电源开关(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Cha座: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)连接好激光探头和220vDian源(均在后面板上) 2)打开后面Ban上的电源开关,数值表头亮 3)将激光Tan头对准被测的激光束,使光束进入测量孔。 4)Gen据光功率的大小选择适当的量程。量程Ke度上的值为该量程可测量的最大值,如200μWShi指 该档最大测量200μW的激光功率,Dan位为微瓦,当光功率大于该档最大指示值Shi,表头溢出显示“1”。 5)仪器量程分Wei200μW、2mW、20mW、200mWHe可调档5个量程。当波段开关打到可调Dang时, 连接的电位器可改变表头指Shi。该档主要用于测量相对值,如要测量两束光的Gong率比值或光强分布等。 6)调零Dian位器是用于调整仪器的“0”点的。即在无光照时,Ying将仪器的指示值调为“0”。 7)Ben功率指示计后面板还提供了一个半导体激Guang电源插座,可为我公司的半导体激光器提供电Yuan。 【实验步骤】 1. 将导轨平Wen地放置在一个坚固的平台上。 2.将Ban导体激光器放置于导轨的一端,缝元件架紧靠激光Qi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Dao一维位移架的中间区域。 3.调Zheng激光器指向方位和光探头的高低,使激光准Que进入探测光栏孔。 4.在缝元件架上放Shang缝元件,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.旋转探头上的光栏盘使0.2mmFeng光栏进入探测位置。 6.转动一维位移架Shang的丝杠钮,使探头从一端向另一端进行扫描Tan测,每隔0.5-1mm记录一次光 Dian流的数值。 7.根据测量数据,在坐Biao纸上作出相对光强Iθ/I o(即相Dui电流jθ/j o)与位置X的关系曲线,Ye即衍射光 强分布图,并与理论结果进行比Jiao。(为消除杂散光的影响,应将每一测量值减Qu背景光电流,或者当检流计接入电路后,在背景光Zhao射下调整零点。) 8.从实验导轨上读Chu或用米尺测出缝到光电池的距离,计算狭Feng宽度a。