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1、实验六 CCD多道光强分布测量 随着科技进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，先进的光学实验室不再用测量望远镜或丝杠带动光电池来测量干涉、衍射花样的光强分布，所使用的都是以CCD器件为核心构成的各种光学测量仪器。LM99PC单缝衍射仪/多道光强分布测量系统用线阵CCD器件接收光谱图形和光强分布，经过微处理系统的分析处理，在监视器上显示出光强曲线，并以之为对象进行测量而展开实验。LM99MP具有分辨率高（微米级），实时采集、实时处理和实时观测，物理现象显著，物理内涵丰富等明显的优点。一、实验目的CCD单缝衍射仪用于光学实验项目中作单缝、单丝、双缝、多缝、双光束等的干涉、衍射
2、实验。通过采集系统实时获得曲线，测量其相对光强分布和衍射角，进而测量单缝的缝宽、单丝的直径、光源的波长、双缝的缝宽和缝间距、光栅常数、激光束发散角测量等。二、实验原理光的衍射现象是光的波动性的一种表现，可分为菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射两类。菲涅耳衍射是近场衍射，夫琅禾费衍射是远场衍射，又称平行光衍射。见图8。将单色点光源放置在透镜L1的前焦面，经透镜后的光束成为平行光垂直照射在单缝AB上，按惠更斯-菲涅耳原理，位于狭缝的波阵面上的每一点都可以看成一个新的子波源，他们向各个方向发射球面子波，这些子波相叠加经透镜L2会聚后，在L2的后焦面上形成明暗相间的衍射条纹，其光强分布规律为： （1） 其中 ，
3、a是单缝宽度，是衍射角，为入射光波长。L1L2ASP0BZ图1 单缝衍射参见图2，由（1）式可见：1、 当时，为中央主极大的强度，光强最强，绝大部分的光能都落在中央明纹上。0I图22、 当时，为第K级暗纹。由于夫琅禾费衍射时，很小，有Sin，因此暗纹出现的条件为： （2）3、从式（2）可见，当K=1时，为主极大两侧第一级暗条纹的衍射角，由此决定了中央明纹的宽度 其余各级明纹角宽度 所以中央明纹宽度是其它各级明纹宽度的二倍。 4、除中央主极大外，相邻两暗纹级间存在着一些次最大，这些次最大的位置可以从对（1）式求导并使之等于零而得到，如下表示：级数K次最大时相对光强11.430.04722.460
4、.01733.470.008三、实验装置一套完整的LM99PC由光具座、激光器、组合光栅、LM601CCD光强分布测量仪和计算机数据采集盒（USB接口），外加一套计算机组成，其中LM601 CCD光强分布测量仪是核心部件。（一）整套系统外形如图： 1激光器： 小功率的半导体激光器；2组合光栅： 由光栅片和二维调节架构成，见图3，光栅片上有7组图形，见图4。 光栅片 上部 / 下部 第1组： 单缝（a=0.12mm） / 单丝（0.12mm） 第2组： 单缝（a=0.10mm） / 单丝（0.10mm） 第3组： 单缝（a=0.07mm） / 双缝（a=0.07mm，d=2） 第4组： 单缝（a
5、=0.07mm） / 双缝（a=0.07mm，d=3） 第5组： 单缝（a=0.07mm） / 双缝（a=0.07mm，d=4） 第6组： 双缝（a=0.02mm） / 三缝（a=0.02mm，d=2） 第7组： 四缝（a=0.02mm） / 五缝（a=0.02mm，d=2）光栅片水平调节手轮俯仰调节手轮二维调节架图3 组合光栅1 2 3 4 5 6 7图4 光栅片结构d为缝中心的间距与缝宽的比值。几组多缝结构安排是针对母国光等编光学P223P227；P325P331的教学内容所设计。3计算机数据采集盒：计算机数据采集盒用USB接口与计算机相连。4CCD光强分布测量仪：其核心是线阵CCD器件。
6、CCD器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。LM601 CCD光强仪所用的是线阵CCD器件，性能参数如下表。LM601CCD光强仪机壳尺寸为150mm100mm50mm，CCD器件的光敏面至光强仪前面板距离为4.5mm。光敏元数光敏元尺寸光敏元中心距光敏元线阵有效长光谱响应范围光谱响应峰值2592个1111m11m29.7mm0.350.9m0.56mLM601 CCD光强仪后面板各插孔标记含义如下，内部电路结构框图见图5，波形见图6：“信号”：CCD器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端。接电缆线红色插头。“采样”：每一个脉冲对应于一个光电二极管，脉冲的
7、前沿时刻表示外接设备可以读取光电管的光电压值，“采样”信号是供CCD采集卡“采样”同步和供CCD数显示波器作X位置计数。此脉冲也可作为几何形状测量时的计数脉冲。接电缆线黄色插头。“同步”：启动CCD器件扫描的触发脉冲，主要供示波器X轴外同步触发和采集卡同步用。CCD器 件信号放大处理单片机系统稳压电源220v AC信号（输出）同步（扫描）采样（同步）示波器/微机（转换）衍射光图5： LM系列CCD光强仪内部电路结构框图“同步”的含意是“同步扫描”。接电缆线蓝色插头。20ms0v5v信号信号光强环境光强401 : 102414m501 : 204814m601 : 259211m801 : 53
8、607m5v0信号光强（扫描基线）采样同步图6： CCD光强仪后面板各插孔输出波形（二）安装和使用1安装：整套LM99MP的安装请参照图7和图8所示，实验系统最好按置在光具座上，或磁性钟表座加铁板方式，也可按置在稳定的实验桌上。 1 2 3 4 51SB14示波器及控制器 2-LM601 CCD光强仪 3组合光栅架 4-连续减光器 5激光器图7 LM99MP安装图SB14示波器SB14控制器用随机带的三根双插头线分别将CCD光强仪后面板上的“信号”、“采样”、“同步”与SB14控制器上的“信号”、“采样”、“同步”一一对应插好；再将14显示器上15芯D型插头和电源插头插入SB14控制器后面的对
9、应插座内（注意插入方向）。CCD 光强仪信号采样同步Y增益Y位移标志线SB14 控制器监视器电源亮度对比度同步（蓝）采样（黄）信号（红）示波器 / 微机图8 光强仪与SB14的连接2使用：（1）电路连接检查CCD光强仪后面板上的“示波器微机”开关拨向“示波器”，用纸挡住CCD采光窗，让其不接受或只接受很弱的光。移动“SB14控制器”上的X、Y标志线旋扭，屏幕上的X、Y值会对应变化。图9 SB14示波器屏幕截图在使用中，如发现示波器上波形向一个方向滚动，一般是光强仪与SB14控制器上的“同步”这一条线没有插好；发现没有“X值”显示（X=0000），一般是“采样”线没有插好；如Y值始终是Y=000
10、0，一般是“信号”这条线没有连接好。正确的图像见图9。（2）读数：X值表示标志线所指曲线处是CCD器件上的第几个光电二极管（第几个光敏元），不同的X值表示曲线上不同点对应在CCD器件上不同空间位置，两个X值的差值X值表示曲线上两点间对应在CCD器件上的空间距离表示间隔多少个光敏元，是一个原始数据，只有乘上“光敏元的中心距”才是实际的距离。不同型号的CCD光强仪有不同的“光敏元中心距”，如LM401、LM501型为14m，LM601型为11m，LM801型为7m，光强仪底部铭牌上都有注明。Y值表示标志线所指曲线处是CCD器件上第几个光电二极管所产生的光电压值，是个相对值，经8位量化，所以最大显示
11、为255（Y值为255对应于5V，每一个字对应19.5mv）。（3）使用注意：a.注意！LM各型CCD光强仪有很高的光电灵敏度，在一般室内光照条件下，已趋饱和，无信号输出，需在暗环境中使用！在没有暗室的情况下，可以在LM601 CCD光强仪和组合光栅架之间架设一个遮光筒（例如两端开口的封闭纸盒）。b.初次使用LM各型CCD光强仪时，应从弱光到亮光进行光路调节，以免光强仪饱和，找不到曲线。如被测光较强，则需调节“减光器”。c.单缝与CCD光强仪之间的距离Z应尽可能满足远场条件（Z/，a为缝宽）。d.光路调整：曲线稳定调节光强曲线幅值涨落或突跳，是激光器输出功率不稳造成的，常发生在用HeNe激光器
12、时，如采用半导体激光器就不会有这种情况。曲线对称调节一般的衍射花样是一种对称图形。但有时显示器看到的图形左右不对称，这主要是各光学元件的几何关系没有调好引起的。实验时：1）调节单缝的平面与激光束垂直。检查方法是，观察从缝上反射回来的衍射光，应在激光出射孔附近；2）调节缝与光强仪采光窗的水平方向垂直（或调节光强仪）。这些都可以通过光栅架的水平/俯仰调节手轮来调节。曲线削顶调节光强曲线出现“削顶”（“平顶”），有二种可能：一是CCD器件饱和；二是“SB14控制器”上丫增益调得太大。一般先把丫增益调小，看波形是否改善，如仍削顶，转动减光器，增大减光量。曲线顶部凹陷调节单缝衍射曲线主极大顶部出现凹陷，
13、常发生在使用质量欠佳的玻璃基板的单缝时，主要是单缝的黑度不够，有漏光现象。如将衍射光直接投射到屏上，可观察到主极大中间有一道黑斑。曲线不园滑漂亮将衍射光直接投射到屏上，如发现衍射花样很乱，边缘不清晰，可能是缝的边缘不直或刀口上有尘埃。再一个原因是CCD光强仪采光窗上有尖埃，可左右移动光强仪，寻找较好的工作区间。四、实验内容和步骤平行光的概念是理想化的概念，实际上，不论采用什么仪器和方法都不能获得绝对的平行光。对于单缝，满足远场条件，不用透镜，也可取得较好的实验效果。1测量单缝夫琅禾费衍射的相对光强分布（1）光路调整尽可能将激光器、减光器、缝、CCD光强仪调整为等高共轴。如用He-Ne激光器，最
14、好先点燃半小时，并尽可能采用交流稳电源或选用自身带开关稳流功能的激光器，为的是激光功率稳定。（2）测量数据慢慢移动鼠标，读取衍射曲线上几个特殊点的X值、Y值和缝到CCD光敏面的垂直距离Z填入下表：空间位置光强相对光强X(ch)MmY(A/D)电压注意：测量CCD器件至单缝间距离Z时，要考虑到CCD器件的受光面在光强仪前面板后4.5mm如较高级次暗纹与较低级次暗纹的Y读数相差较大，说明尚未满足远场条件；如正方向与负方向暗纹的Y读数相差较大，说明单缝与CCD器件还没有调垂直。测量相对光强比时，一定要用Y值减去扫描基线的Y值，不能直接用Y值相比较。（参见图4）（3）计算和比较实验值理论计算值相对光强
15、相对光强中央明纹1一级暗纹0一级亮纹00472二级暗纹0二级亮纹00165三级暗纹0根据实验数据，可以计算出各级明纹和暗纹的衍射角和相对光强，还可以计算出所用单缝的缝宽a和所用光源的波长，与理论值相比较，作出误差分析。. 衍射法测量细丝直径 衍射法测量细丝直径在工业生产、自动控制和科研上已得到实际应用。所依据的是互补原理，相同几何尺寸的单缝和单丝有着相同的衍射角分布。 实验时，细丝可悬挂在原来放置单缝的位置上，细丝下端捆一物体，让细丝有一定的张力。直径用千分尺标定。也可用“组合光栅”上的两条单丝来代替。 在“单缝衍射相对光强分布测量”时，让中央主级大光斑落在CCD采光窗的中间区域，为的是看清单
16、缝衍射波形的全貌，如细丝测量时也这样按排，会产生一个问题，激光束的光斑和中央主极大一起落在CCD器件上，引起饱和。从暗条纹出现条件公式（2）可知，暗条纹是以中央明纹为对称轴等间隔地左右对称分布的，任意两条暗纹间的宽度为。因此，我们可以向正或向负方向将中央主级大移至采光窗外，减小减光器减光量或去掉减光器，让更高级次的暗纹出现在屏幕上，见图示10。测量时，细心移动光标或鼠标，用逐差法或直接读出每一条暗纹的值，列表记录。每一暗纹读35次，取其平均值。再计算出相邻暗纹间距的平均值 。注意，这是个原始数据，必须乘以CCD光敏元的中心距才是暗纹的真实间距d。由衍射公式单缝（Z为单丝至CCD光敏面的距离）算
17、得细丝直径，并作出误差分析。测量单缝的缝宽和所用光源的波长时，也可将中央主极大移至CCD采光窗外，可取得更多的数据，提高测量清度。图10 单丝衍射（主极大在采光窗外）3.观察研究双缝干涉现象利用CCD单缝衍射仪能实时显示曲线全貌的特点，选用“组合光栅”上第3、4、5组单缝/双缝，很容易显示出双缝受到单缝调制的现象和双缝干涉产生“缺级”的规律，即缺级发生在nd上，（d 为双缝中心间距与缝宽的比值，n=1，2，,3，）波形见附录。4.观察研究多缝的干涉现象 在多缝干涉中，除有缺级现象外，在相邻主极大之间还在着N-2个次级大，N-1个极小（N为缝的条数），选用“组合光栅”上第6、7组35缝的衍射图，可清楚说明这个规律。
