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1、实验七实验七 CCDCCD 多道光强分布测量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。LM99MP 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、一、实验目的实验目的CCD 单缝衍射仪用于光
2、学实验项目中作单缝、单丝、双缝、多缝、双光束等的干涉、衍射实验。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、二、 实验原理实验原理光的衍射现象是光的波动性的一种表现，可分为菲涅耳衍射击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 L
3、2 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） 220sin II其中 ，a 是单缝宽度，是衍射角，为入射光波长。 asin图 1 单缝衍射参见图 2，由（1）式可见：P0L2L1SZAABCC1、 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 0II0 明纹上。2、当时，为第 K 级暗纹。由于夫琅禾费衍射时，sin(,) K aK1 2 I 0 很小，有 Sin，因此暗纹出现的条件为： K a（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02a各级明纹角宽度 ，所以Ka中央明纹宽
4、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I I011.43 a0.04722.46 a0.01733.47 a0.008三、实验装置三、实验装置一套完整的 LM99MP 由光具座、激光器、连续减光器、组合光栅、LM601 CCD 光强sin0a20IIa2a3aa图 2分布测量仪和 SB14 数显示波器及控制器组成，其中 LM601 CCD 光强分布测量仪是核心部件。这是 LM99MP 的标准配置，为了适应各个学校教学的不同需要，LM99MP 也可以不用 SB14
5、 数显示波器及控制器而直接连至普通的单踪或双踪示波器来进行实验。（一）整套系统（一）整套系统外形图如上： 1激光器激光器： 小功率的半导体激光器或 He-Ne 激光器均可在 LM99MP 上使用；2 2连续减光器连续减光器：由二片偏振膜组成，一片固定，作起偏器，另一片可 360 度旋转，作检偏器，达到连续减光的目的。也可用于偏振实验。3 3组合光栅组合光栅： 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
6、缝（a=0.07mm） / 双缝（a=0.07mm，d=2）第 4 组： 单缝（a=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）d 为缝中心的间距与缝宽的比值。几组多缝结构按排是针对母国光等编光学P223P227；P325P331 的教学内容所设计。4CCD 光强分布测量仪光强分布测量仪：其核心是线阵 CCD 器件。CCD 器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵，
7、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。LM601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CCD 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。LM601 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：“示波器示波器/ /微机微机”：当光强仪配接的是 CCD 数显示波器或通用示波器时，将此开关打在“示波器”位置， “同步”脉冲频率为 50Hz；当配接的是按装有 CCD 采集卡的微机
8、系统时，把开关打在“微机”位置， “同步”脉冲频率为15Hz， “采样”脉冲频率为 1015KHz 左右。“信号信号”：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。“采样采样”：每一个脉冲对应于一个光电二极管，脉冲的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。“同步”的含意是“同步扫描” 。接电缆线蓝色插头。光敏元数光敏元尺寸光敏
9、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1111m11m28.67mm0.350.9m0.56m20ms0v5v信号信号光强环境光强401 : 102414m 501 : 204814m 601 : 259211m 801 : 53607m 5v0 信号光强 （扫描基线）采样同步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5SB14SB14 数显示波器：数显示波器：SB14 大屏幕数显示波器由 914单色显示器和“SB14 控制器”两件构成，作为
10、 CCD 光强仪的显示终端之用。该示波器带有测量光标，当移动测量光标时，X 与 Y 值将分别显示光标所指曲线处是 CCD 器件件上的第几个光电二极管及该二极管所产生的光电压值。其使用效果大大优于一般示波器，价格又远低于“微机+采集卡”形式，是普物、近物实验中与 CCD 光强仪优选搭配仪器。 （二）（二） 安装和使用安装和使用1安装：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。图 6： CCD 光强仪后面板各插孔输出波形1 2 3 4 51SB14 示波器及控制器 2-LM601 CCD 光强仪 3组
11、合光栅架 4-连续减光器 5激光器图 7 LM99MP 安装图SB 14 示 波 器SB14 控制器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 控制器后面的对应插座内（注意插入方向） 。2使用：使用：（1）电路连接检查CCD 光强仪后面板上的“示波器
12、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。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=0000，一般是“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
13、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！注意！LM 各型各型 CCD 光强仪有很高的光电灵敏度，在一般室内光照条件下，
14、已趋饱和，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！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 光强仪和图 9 SB14 示波器屏幕截图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） 。2a8d.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
15、 激光器时，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，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
