物理專題實(shí)驗(yàn)光的衍射論文

淺談波的衍射摘要：光的衍射是指光避開其障礙物,不經(jīng)過直線傳播就進(jìn)入幾何的陰影,并且在屏幕上呈現(xiàn)光強(qiáng)不均勻的光學(xué)現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象是波動(dòng)本性的必然結(jié)果，本專題主要由光波的夫瑯禾費(fèi)衍射、透射光柵衍射和微波布拉格衍射三個(gè)實(shí)驗(yàn)組成，結(jié)合光的衍射現(xiàn)象、衍射原理、有關(guān)衍射的推導(dǎo)與證明、影響觀察光的衍射現(xiàn)象的因素，進(jìn)一步分析光衍射的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光的衍射；原理；夫瑯禾費(fèi)衍射；透射光柵衍射；微波布拉格衍射；應(yīng)用背景：盡管人們觀察到了很多的光學(xué)現(xiàn)象。到那時(shí)對光學(xué)的本質(zhì)認(rèn)識(shí)卻經(jīng)過了很長的一段時(shí)間。直到1690年惠更斯才提出了光的波動(dòng)說，但是僅僅將光解釋成一種“以太”介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，最后，關(guān)于光的干涉，衍射等性質(zhì)等的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了光具有波動(dòng)性。1860年，麥克斯韋建立了統(tǒng)一電磁場理論，預(yù)言電磁波的存在。而光波只是一種特定波長的電磁波，在1890年，赫茲（Hertz）用實(shí)驗(yàn)證明了這一現(xiàn)象。對光衍射的認(rèn)識(shí)：光的衍射是光的能量不遵循幾何光學(xué)模型的現(xiàn)象．人們往往誤以為，只有在障礙物線度與波長相比擬時(shí)，才發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射理論才成立；當(dāng)障礙物遠(yuǎn)大于波長或無障礙時(shí)，光沿直線傳播，衍射理論不成立．其實(shí)無論有無障礙物，也不管障礙物大小，都會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，只是在障礙物線度和波長相比擬時(shí)，衍射現(xiàn)象才明顯．一般地說，b(障礙物的限度)與λ幾乎相同時(shí)，衍射現(xiàn)象極為明顯，過渡到散射；b在1O～100λ間時(shí)，衍射現(xiàn)象顯著，出現(xiàn)明暗衍射花樣；b>1000λ時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯，可按直線傳播處理．光的衍射是光的波動(dòng)本性的結(jié)果，直線傳播也是光的波動(dòng)本性的結(jié)果，兩者不對立，而是完全統(tǒng)一的．對于一個(gè)純衍射問題，光在傳播過程中，其波陣面受到很大限制，此時(shí)障礙物的幾何尺寸都很小，根據(jù)惠更斯原理可知，光線偏離了原來的直線傳播方向，并且在幾何陰影區(qū)的邊緣產(chǎn)生了強(qiáng)度大小的分布，對波陣面限制越大，衍射效應(yīng)就越明顯，惠更斯提出次波的假設(shè)來闡述波傳播的現(xiàn)象，得出光在傳播過程中碰到障礙物會(huì)產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象．但由此產(chǎn)生光強(qiáng)大小的分布問題是由菲涅耳在惠更斯原理的基礎(chǔ)上提出次波相干的理論解決的，形成了惠更斯一菲涅耳原理．該原理指出，波陣面上的每一點(diǎn)都是次波的波源，新的波陣面就是這些次波的包絡(luò)，而且這些次波都是相干的．由于每個(gè)波陣面上都存在著無窮多個(gè)次波的波源，因此在光的衍射中，其光的疊加就是對無窮多個(gè)次波疊加的結(jié)果，在數(shù)學(xué)處理上是一個(gè)積分求和的過程，用矢量圖解時(shí)其矢量圖是一個(gè)光滑的圓弧。1.透射光柵衍射實(shí)驗(yàn)理論：當(dāng)入射光是各種波長的復(fù)色光時(shí)，經(jīng)過光柵衍射，對于給定的光柵級(jí)數(shù)，一個(gè)波長對應(yīng)一個(gè)角度，各波長的光按照不同的角度排列，形成光柵光譜。平行光經(jīng)過一狹縫后成為光源，線光源的光柵衍射使得短的衍射斑變成長的衍射線。光柵方程為（m取整數(shù)）。角色散率為。實(shí)驗(yàn)方法：調(diào)節(jié)分光計(jì)的基本工作狀態(tài)，在載物臺(tái)上放上光柵，調(diào)節(jié)光柵位置。測研究光譜，畫出光譜條紋角度位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：透過分光計(jì)可看到光譜圖，測出光譜條紋角度位置，計(jì)算光柵的色散率。2.光波的夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)理論：衍射物到光源和接收屏的距離均無窮遠(yuǎn)時(shí)的衍射稱為夫瑯禾費(fèi)衍射。實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，既可利用透鏡在焦平面上觀察，也可不用透鏡，在遠(yuǎn)大于波長的位置處觀察夫瑯禾費(fèi)衍射現(xiàn)象。平行光經(jīng)過狹縫衍射，光屏上出現(xiàn)一組明暗相間的條紋，其中除了按照光源里的直線傳播原理得到的中央明紋外，在它的兩側(cè)還有一些寬度逐漸變窄的明紋，這就是光的單逢衍射現(xiàn)象。由衍射公式得出如下結(jié)論：在sin（n=1,2,3…）處衍射強(qiáng)度為零，為暗條紋位置，分別對應(yīng)N級(jí)最小。次級(jí)極大對應(yīng)的衍射角sin……可以計(jì)算出各次極大衍射強(qiáng)度依次為=0.047,0.017,0.008……其中I為各次極大對應(yīng)的光強(qiáng)，為中央明紋光強(qiáng)極大值。實(shí)驗(yàn)方法：1）光電池測量光強(qiáng)度轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)光電池位置的旋柄，使光明器件的狹縫對準(zhǔn)衍射圖形的中央明紋，仔細(xì)確定中央明紋極大值O的位置讀數(shù)X。，調(diào)整R使檢流計(jì)的讀數(shù)約為80格。然后向一側(cè)移動(dòng)光電池進(jìn)行測量，每移動(dòng)光電池0.2mm測量一次。2）CCD測量光強(qiáng)度（1）儀器與示波器連接使用雙通道示波器，將儀器的“信號(hào)”端輸入到示波器“CH1”通道，“觸發(fā)”端輸入“CH2”通道，觸發(fā)源選CH2。調(diào)整示波器觸發(fā)電平，將CH1、CH2和時(shí)間軸設(shè)置到合適位置，使CH2在屏幕兩側(cè)顯示出穩(wěn)定的觸發(fā)脈沖。（2）調(diào)整光路調(diào)整激光器、狹縫和CCD測量系統(tǒng)等高共軸。調(diào)節(jié)偏振方向，直到能夠看見CCD的探測區(qū)。調(diào)整光路，使被測光帶入CCD的探測區(qū)，在示波器的探測區(qū)能夠觀測到單縫衍射光強(qiáng)的分布曲線。（3）測量值的讀出示波器上顯示的是光強(qiáng)的相對分布，分布上任取15-20個(gè)點(diǎn)，讀出示波器每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，記下單逢到CCD的距離L，通過換算，在坐標(biāo)紙上畫出I/—sin曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:根據(jù)所得數(shù)據(jù)畫出光強(qiáng)分布圖，由公式計(jì)算縫寬。3.微波布拉格衍射實(shí)驗(yàn)理論：來源于同一晶面的反射線，當(dāng)入射角等于反射角時(shí)，它們之間的光程差為零。不同散射線的光程差一般不同，設(shè)晶體面間距為d，相鄰晶面反射的光程差為2dsin。不同層之間的反射形成干涉。在某些方向上，不同層面的波程正好是波長的整數(shù)倍，此時(shí)反射線相干加強(qiáng)形成亮紋。所以相干加強(qiáng)的條件為：2dsin=m（m=1,2,3……）即布拉格衍射公式。實(shí)驗(yàn)方法：微波波長可以用邁克爾孫干涉法測量，放置的玻璃板對微波具有半反射半透射的性質(zhì)。與光學(xué)邁克爾孫干涉儀類似，經(jīng)固定反射板和動(dòng)反射板的兩倍微波在接收喇叭處產(chǎn)生干涉。當(dāng)動(dòng)反射板移動(dòng)，該路波程變化一個(gè)波長，干涉波發(fā)生一次強(qiáng)弱變化的周期。測量兩次干涉最大或干涉最小對應(yīng)的反射板移動(dòng)，就可以計(jì)算出微波波長。再測量立方晶體（100）面衍射一級(jí)與二級(jí)極大值的掠射角來驗(yàn)證布拉格公式。對（110）晶面族測出衍射極大值對應(yīng)的掠射角，計(jì)算晶面間距和晶格常數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證布拉格公式，計(jì)算（110）晶面的晶面間距和晶格常數(shù)。4.光衍射原理的應(yīng)用光的衍射現(xiàn)象觀察的影響因素分析的衍射應(yīng)用有以下幾個(gè)應(yīng)用方向：1)普遍應(yīng)用于光譜分析領(lǐng)域，比如說衍射光柵光譜儀等。2）應(yīng)用于衍射成像，比如說衍射成像概念、成像儀器分辨。3）衍射呈現(xiàn)波陣面，有利于全息術(shù)原理的進(jìn)一步發(fā)展。4）衍射廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析，例如X射線結(jié)構(gòu)學(xué)等。結(jié)論：波具有干涉，衍射等特性。此次通過光柵衍射，夫瑯禾費(fèi)，以及微波布拉格三個(gè)實(shí)驗(yàn)，對光的衍射特性和衍射與衍射原理進(jìn)行了深入的探究和研究，通過對三個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐和分析，我對波的衍射性質(zhì)有了更加深刻地認(rèn)識(shí)和了解，以及對光波衍射的應(yīng)用有了新的認(rèn)識(shí)。對一些專業(yè)術(shù)語，一些原理有了更牢固地掌握。通過看書及上網(wǎng)查閱資料，我知道了衍射的各種應(yīng)用，例如測波長，研究生物體結(jié)構(gòu)等，以及衍射和干涉的相互關(guān)系，使我對光的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深。此次實(shí)驗(yàn)也反映出我知識(shí)的欠缺，以及動(dòng)手能力的薄弱，以后一定會(huì)多動(dòng)手，多實(shí)踐，認(rèn)真看書，真正讀懂書中的內(nèi)容。撰寫時(shí)間:2012年10月17日參考文獻(xiàn)：1成正維.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京：高等教育出版社2楊志文.光學(xué)測量.北京：北京理工大學(xué)出