衍射光强分布的测量

波在传播过程中遇到障碍物时，都会偏离直线传播的现象，即衍射，光波也不例外。当光在小孔、狭缝等障碍物的边缘附近通过时，光的衍射现象就会十分清楚的显现出来。利用惠更斯-菲涅尔原理可以定量的描述衍射后的光强的分布。根据光源和观察点离开衍射屏的距离我们可以把衍射分为菲涅尔近场衍射和夫琅禾费远场衍射。通过本实验，学生可以很好的把所学的理论知识和实验结合起来，更好的理解光的衍射。

1. 利用Origin自定义函数拟合定量分析夫琅禾费单缝衍射；
2. 理解单丝衍射和单缝衍射的异同，验证巴比涅原理；
3. 区分夫琅禾费单缝衍射与菲涅尔单缝衍射的图样特征，并能自己设计实验验证；
4. 观察多缝衍射随着缝数的增加，衍射图样的变化。

1. 什么是衍射？
2. 菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射的区别。
3. 高斯光束的特点。
4. 单缝、单丝、圆孔、圆屏衍射现象的特点。
5. 多缝衍射现象特点以及计算。

1. 实验时，如何设置实验条件，满足夫琅禾费衍射的近似条件。
2. 激光为高斯光束，对夫琅禾费衍射的光强分布有什么影响？
3. 菲涅尔衍射为近场衍射，实验时如何调节光路实现近场衍射？请思考你的设计方案的可行性。
4. 如果让你设计一个实验光路，演示泊松亮斑，你会如何设计你的实验方案。

• 请你思考用傅里叶分析方法、角谱理论分析光的衍射。
• 借助Matlab 或者Methematica 软件，数值模拟衍射现象

He-Ne激光器、衍射光强分布自动记录仪、衍射片（单缝、单丝、圆孔、圆屏）、透射光栅、白色屏幕、支柱若干。

第一周内容

1. 单丝、单缝
   • 观察单缝、单丝的衍射图样，验证巴比涅原理。
   • 测量不同缝宽的单缝的衍射强度分布。
   • 研究单缝缝宽和衍射强度分布(夫琅禾费衍射）的关系。
2. 圆孔、圆屏
   • 观察圆孔、圆屏的衍射图样。

第二周内容

1. 多缝衍射
   • 观察测量多缝衍射的强度分布。
   • 研究缝的数目和衍射强度分布的关系。

第三周内容

1. 单缝菲涅尔衍射
   • 观察测量单缝菲涅尔衍射强度分布。
2. 高斯光束单丝衍射
   • 观察分析高斯光束单丝衍射的三分裂现象，并尝试用Mathematica 数值模拟

1. 阐明本实验的基本原理及所用仪器装置。
2. 记录实验的全过程，包括实验步骤，各种实验现象和数据处理等。
3. 对实验结果进行分析、研究和讨论。

1. 李学慧 大学物理实验 高等教育出版社 2005
2. 倪新蕾 大学物理实验 华南理工大学出版社 2006
3. 马文蔚 物理学（第五版）下册 高等教育出版社 2006
4. 夫琅禾费衍射中的“反常”现象与模拟,卢瀚林，白翠琴,大学物理,2024,第 ４３ 卷第 ８ 期
5. 潘毅,李训谱,牛孔贞. 菲涅耳单缝衍射动态演示实验[J]. 大学物理,2005,24(11):52-54,63.
6. 赖汉明,李荣基,阮志仁. 圆孔的菲涅耳衍射[J]. 大学物理,2009,28(10):31-34
7. 付文羽,刘正岐. 高斯光束照射下与矩孔相关的孔径衍射[J]. 大学物理,2005,24(8):34-37
8. 狭缝扫描法测量高斯光束光斑尺寸[J],物理实验，1991，11（5）
9. 高斯光束单丝衍射光强分布理论分析和实验[J],激光技术，1992，2

弱问：具体应该怎样用 origin 8 拟合衍射光强？

强答：如何使用Origin拟合自定义函数，不知道这个是否可以给你一点帮助！ — 乐永康 2009/03/24 01:10

上面的连接似乎是个空链接。。— 柯福顺 2009/03/24 23:10

抱歉。谢谢你提醒，我会尽早检查一下是什么问题。 — 乐永康 2009/03/24 23:25

柯福顺同学，通过系统升级，Flash不能播放的问题已解决（见新闻中心）。很抱歉，让你久等了！ — 乐永康 2009/04/08 00:03

谢谢老师！— 柯福顺 2009/05/3 14:11

追加极弱问：我用的是origin 8 SR3，按说应当是差不多的操作，但是我在写了Function之后Formula栏里却不能显示公式，无法拟合，请求乐老师的帮助。

我们录的那个Flash教程是在Origin 7上面完成的，和你使用的版本可能有所差别。你可以尝试去图书馆找一本Origin操作的教程（软件的版本要一致，或相近），对于函数拟合之类的，应该会有比较详细的叙述的。 — 乐永康 2010/03/05 16:17

谢谢乐老师，您的回答真是太迅速了！ — 李耀轩 2010/03/05 17:01

一定要用暗条纹来算吗？明条纹不也有公式吗？峰值还可以直接读取来的~ — 谢欣 2011/03/23

用明条纹计算也行。但中心0级明纹常因光强过大，造成探测器输出饱和。 — 陈元杰 2011/03/29

不会啊，我们测的缝都很好，就是不确定峰值处是否是理论所在的位置呢？是否较容易发生偏移，而不如谷值更准确呢？ — 谢欣 2011/03/29

如果1级以上的衍射峰左右对称的话，0级的位置应该是对的。如果没调好，峰位确实会有小的偏移，谷说对应的位置应该也有偏移。主要从峰位和峰高是否对称来检验。 — Chen Yuanjie 2011/04/06

实验数据中发现单丝夫琅禾费衍射在中心亮斑处于同条件下单缝相比明显是三个峰（后者一个峰），看文献上也给出解释了，我也自己推导了一遍发现确实如此，而且数值模拟的结果也是如此，但是还是不太理解它与巴比涅定理真的不矛盾么？谢谢老师！ — 张浩然 2015/5/26

不矛盾啊，从巴比涅原理出发，应该是在自由光场为0的地方，单缝和单丝衍射的图样相同，而在光源像点处，是两者的复振幅之和等于自由光场的复振幅之和，衍射图样不同才是符合巴比涅原理的吧。现在还没做实验，仅仅从理论上分析一下。应该不矛盾的。 — 陈芳婷 2017/03/09 10:57

请问老师能否给出多缝衍射实验中的缝宽、相邻缝之间的距离、总缝数等数据？—蔡灵 2016/3/26

这个实验需要同学根据衍射图样得到这些参数的

fresnelsingleslit_lzk.txt 写了一个单缝菲涅尔衍射的计算程序, 经尝试带入实验参数后形状正确, 但是计算得到的光强分布展宽不正确. — 娄泽坤 2021/06/14 15:58

以上距离修正见文献 Single-Slit Diffraction Pattern of a Thermal Atomic Potassium Beam — 娄泽坤 2021/12/21 13:15

单边以及单缝菲涅尔衍射计算.txt 改进了一下娄泽坤学长的计算程序, 可以计算单缝菲涅尔衍射还有单边菲涅尔衍射, 光强分布展宽大致符合实验预期 — 费昳帆 2022/03/31 14:03

txt文件内容复制到Mathematica, 开始计算即可, 希望提高衍射图片精度可增加DensityPlot中PlotPoint参数数量, 但会增加计算时间. — 费昳帆 2022/03/31 14:03
原理与参数简要介绍见报告 单缝衍射原理简要说明.pdf, 具体文献参考见 optics._lectures_on_theoretical_physics_vol._4_by_arnold_sommerfeld_auth._.pdf — 费昳帆 2022/03/31 14:03

关于角谱理论及其数值模拟，可以参考https://github.com/rafael-fuente/diffractsim — 柏鹏举 2024/06/13 23:39

角谱法模拟不同衍射屏的衍射图样（可调节距离，孔径等） https://pan.baidu.com/s/1IMcweqYdU6_csXx7jeeV_A提取码：o465 直接运行里面的exe文件 — 柏鹏举 2024/06/13 23:50