(1)了解双缝干涉原理及现象。
(2)了解双缝实验装置的基本结构并掌握光路的调整方法。
(3)掌握光电元件测量相对光强的方法,能够描绘双缝干涉光强随位置变化曲线。
图3-1-1 双缝干涉实验装置图
本实验所需仪器:激光器、二维调整架、双峰屏、滑座、白屏。
图3-1-2 单缝衍射示意图
图3-1-3 双缝干涉示意图
激光通过双缝时,每一条狭缝都会各自产生一套单缝衍射的图样,单缝衍射的图样如图3-1-2所示,其单缝衍射的图样的光强分布表达式 [1] 为:
其中u=πa
,a为狭缝宽度,λ为光的波长,θ为衍射角。
由于两条狭缝宽度相同,且相互平行,故两条狭缝衍射的光强分布完全相同。因为狭缝都是由同一单色光源照明,所以从两条狭缝射出的光波的叠加是相干叠加,它们之间还要产生干涉(如图3-1-3)。由杨氏双缝干涉公式可知,双缝干涉的强度分布表达式 [2] 为:
式中I 1 是单独一条狭缝在接收屏上某一点的光强,δ是从两个狭缝的中心分别到接收屏上该点的相位差,相位差δ可表示为:
干涉条纹中的极大(亮)条纹对应的角度由下式给出:
式中θ对应从干涉图样中心到第m级极大之间的夹角,λ表示光的波长,m表示级次(从中心向外计数,0对应中央极大,1对应第一级极大,2对应第二级极大,…),如图3-1-3所示。通常因为角度较小,可以假设:sinθ≈tanθ。根据三角关系:
其中y表示在屏上从图样中心到第m级极大间的距离,D表示从狭缝到屏的距离,如图3-1-3所示,所以可得狭缝间距为:
将单缝衍射的强度公式(3-1-1)代入公式(3-1-2)中,可得到双缝干涉的光强分布表达式 [3] :
(1)参照图3-1-1搭建光路,并调整位置,使各组件等高和共轴。
(2)调节激光光斑大小及位置,使光斑刚好落在双缝上面,直到观察白屏上产生干涉条纹。
(3)观察干涉条纹光强分布及间距特点。
(1)多次测量狭缝到屏的距离,记录于表3-1-1中。
(2)将白屏更换为光电探测器,调节一维手动扫描平台,使光学传感器处于适当的位置(一般在条纹级次m≥5);然后通过扫描平台侧面的手轮缓慢调节光电传感器的水平位置,进行实时测量,使干涉斑光强的极大值依次通过光传感器,测量的相对光强通过照度表读出,每移动0.1或0.2 mm记录一次数据,数据记录在表3-1-1中。
(3)把水平位移值作为x轴,相对光强作为y轴,作出光强随位移变化的曲线图。
表3-1-1 双缝干涉的测量数据记录
将光电探测器更换为CCD,通过CCD测量条纹并进行数据分析。
参考公式(3-1-7)进行计算验证。
(1)不要用肉眼直视激光器输出光,防止造成伤害。
(2)仪器放置处不可长时间受阳光照射。
(3)激光器发出的光束应平行于工作平台的工作面。
(4)光束应通过放入光路中的部件的中心,保证光束垂直入射到接收器上。
(5)注意在插拔线时,先关掉电源开关。
详细记录数据并在坐标纸上作出光强随位移变化的曲线。