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VirtualLab基础实验教程-4.单缝衍射
2022-06-12 18:03:00 【澄渊】
文章目录
前言
本篇为大创团队的第四篇集体作品,针对物理光学的基础实验–单缝衍射与矩孔衍射做出了探索和尝试。
一、单缝衍射实验原理简介
1.衍射简介
单缝衍射是光在传播过程中遇到障碍物,光波会绕过障碍物继续传播的一种现象。如果波长与缝、孔或障碍物尺寸相当或者更大时,衍射现象最明显。
菲涅尔衍射:
在光学里,菲涅耳衍射指的是光波在近场区域的衍射,即光源或衍射的图样的屏与衍射孔(障碍物)的距离是有限的。光源和光屏到障碍物的距离均不是很远,并且没有使用透镜。此时光线不是平行光,即波阵面不是平面。
夫琅禾费衍射:
光源和光屏到障碍物的距离都很大,此时入射光为平行光,波面是平面,衍射光也是平行光。这种衍射称为夫琅禾费衍射。在实验室里,我们可以很容易的用透镜使入射球面光波变成平行光,很容易实现夫琅禾费衍射的条件。
显然,菲涅尔衍射是普遍情况,夫琅禾费衍射只是它的特例。
2.半波带分析法
在给定的衍射角 θ \theta θ中,若 B C BC BC刚好截成偶数个半波带,则 Q Q Q点为相消干涉而出现暗纹;若 B C BC BC刚好截成奇数个半波带,余的一个半波带不能被抵消,则点 Q Q Q为相消干长而出现亮纹;若 B C BC BC不为半波长的整数倍,则 Q Q Q点的亮度介于次极大和极小之间,这也说明了每一级条纹都有相应的宽度。
另外,若 θ \theta θ角越大,则 B C BC BC越长,因而半波带数目越多,而缝宽 A B AB AB为常数,因而每个半波带的面积要减少(即每个半波带上携带的光能量减少),于是级数越高,明条纹亮度越低,最后成模糊一片。也因此可以观察到的衍射级次也是有限个的。
3.公式
亮纹条件 b s i n θ = ± ( 2 k + 1 ) λ 2 bsin\theta=\pm(2k+1)\frac{\lambda}{2} bsinθ=±(2k+1)2λ
暗纹条件 b s i n θ = k λ bsin\theta=k\lambda bsinθ=kλ
中央明纹 − λ < b s i n θ < λ -\lambda<bsin\theta<\lambda −λ<bsinθ<λ,角宽度 2 θ 0 = 2 λ b 2\theta_0=2\frac{\lambda}{b} 2θ0=2bλ,线宽度 Δ x 0 = 2 λ b f \Delta x_0=2\frac{\lambda}{b}f Δx0=2bλf
其他各级明纹的宽度为相邻暗纹间距 Δ x = λ f b \Delta x=\frac{\lambda f}{b} Δx=bλf,可见中央明纹约为其他各级明纹宽度的两倍。
4.影响衍射的因素
缝越窄,衍射越显著,但 b b b不能小于 λ \lambda λ( b b b小于 λ \lambda λ时,半波带理论不成立。)
缝越宽,衍射越不明显,条纹向中心靠近,逐渐变成直线传播。
λ \lambda λ越大,衍射现象越明显。
当白光入射时,中央明纹仍为白色,其他各级由紫至红,一般第 2 , 3 2,3 2,3级即开始重叠。
单缝上下移动,根据透镜成像原理衍射图不变。将单缝位置稍稍作上下平移,对衍射条纹不会产生任何影响;将透镜位置稍稍作上下平移,则所有条纹也将随之上下平移,但条纹间距不变。
5.矩孔衍射
E ( x , y ) = C ∫ − a 2 a 2 e x p ( − i 2 π u x 1 ) d x 1 ∫ − b 2 b 2 e x p ( − i 2 π v y 1 ) d y 1 E(x,y)=C\int_{-\frac{a}{2}}^\frac{a}{2}exp(-i2\pi ux_1)dx_1\int_{-\frac{b} {2}}^\frac{b}{2}exp(-i2\pi vy_1)dy_1 E(x,y)=C∫−2a2aexp(−i2πux1)dx1∫−2b2bexp(−i2πvy1)dy1
注:其衍射图样正是其傅里叶变换图样。
= C a b s i n α α ∗ s i n β β =Cab\frac{sin\alpha}{\alpha}*\frac{sin\beta}{\beta} =Cabαsinα∗βsinβ
u = x λ f , v = y λ f u=\frac{x}{\lambda f}\ \ ,v=\frac{y}{\lambda f} u=λfx ,v=λfy
α = π x λ f a , β = π y λ f b \alpha=\frac{\pi x}{\lambda f}a\ \ ,\beta=\frac{\pi y}{\lambda f}b α=λfπxa ,β=λfπyb
6.讨论Y轴条纹分布
I y = I 0 ( s i n β β ) 2 I_y=I_0(\frac{sin\beta}{\beta})^2 Iy=I0(βsinβ)2
主极大的位置 β = 0 , I m a x = I 0 \beta=0,I_{max}=I_0 β=0,Imax=I0
极小值的位置 β = n π , n = ± 1 , ± 2 \beta=n\pi,n=\pm1,\pm2 β=nπ,n=±1,±2
即 y = n λ f b y=\frac{n\lambda f}{b} y=bnλf,故中央亮纹宽度 Y = 2 λ f b Y=\frac{2\lambda f}{b} Y=b2λf,次级大的位置 d d β s i n β β = 0 \frac{d}{d\beta}\frac{sin\beta}{\beta}=0 dβdβsinβ=0
暗纹间隔: e = λ f b e=\frac{\lambda f}{b} e=bλf
二、Virtualab仿真
1.搭建光路
首先在库中找到平面波并拖入面板中:
双击设置平面波的属性:
设置波长为632.8nm的红光,并且设置波的形状为矩形,大小为110um×3mm(波源的大小稍大于孔):
PS:事实上只要比孔大,再大很多也都是可以的
在库中找到Aperture。
在波源后拖入小孔并设置小孔的参数为矩形孔100um×3mm(由于不是理想的单缝,还是有长和宽的限制,也即一个非常狭长的矩孔)
在其后放置一个无限大的理想透镜,焦距为100mm。
2.探测器的关键之处
在透镜的焦点处放置两个探测器分别形成二维图像和一维图像,两个探测器的距离均设置为100mm(探测器始终在焦平面)
(1)二维探测器的设置:
设置探测窗口大小为20mm×2mm
设置采样点的设置改为user defined并且设为2048×1024
注意:需要将探测器默认的插值方法Cubic 6 Point改为Accelerated Sinc
否则衍射结果只可看到两级。
(2)一维探测器设置:
设置探测器窗口大小为20mm×10um
设置采样点的设置改为user defined并且设为2048×1
同样需要改变探测器默认的插值方法Cubic 6 Point改为Accelerated Sinc
3.完成效果与经典场追迹
搭建好的光路图为:
由于所用器件均为理想器件,可使用classic field tracing
得到一维二维的图像:
至此基本实验完成。
三、结果展示
接下来,我们对参数进行调整,观察单缝衍射的动态变化情况。
1.改变焦距
首先,将焦距从50mm到1000m变化,此时需要同步变换探测器的距离。
使用parameter run,运行后得到这样的实验结果。
由公式可以得到,当其他条件不变时,焦距增大,中央主极大的宽度增大,即会出现中央主极大展宽,次级亮纹位置外移的现象。
2.改变波长
接着,将波长从400nm到700nm变化。
运行后得到如下的实验结果。
和上面改变焦距时的原理相似,当其他条件不变时,依旧可以由公式推出,当波长增加时,单缝衍射现象类似,都出现中央主极大变宽,次级亮纹位置外移的现象。
3.改变缝宽
同理,我们用parameter run改变缝宽(40um-115um),运行后,可以获得这样的动态衍射结果。
当其他条件不变时,由公式可以推出,缝宽增加,e减小,即中央主极大宽度变窄,出中央主极大变窄,次级亮纹位置内移的现象。
将50um缝宽(蓝)和100um缝宽(红)的图像合成在一起进行比较,可以发现,红线的中央主极大宽度小于蓝线,符合理论推论。
4.移动单缝位置
把单缝(通光孔径)在空域中横向平移,结果对比图如下:
衍射屏上通光孔径在空域中横向平移,并不影响夫琅禾费衍射的光强振幅分布,只是其相位有一线性变化,接受面上的光强分布不变。
5.移动透镜位置
当透镜在空域中横向平移时,结果图如下,蓝色线为原来的情况,红色线表示平移后图像。
空域中的线性相移引起频谱分布的横向移动,孔径或衍射屏被一束单位振幅的倾斜平面波照射时,夫琅和费光强分布发生横向平移。
6.用矩形光栅构建一个单缝
另外,如何构建一个完美的单缝。使用Rectangular Grating.
设置缝宽,此处下方偏移设不设置都不影响最终的条纹位置。
把单缝用这个元件替代,更改完善原先的光路图搭建。
接着,导入刚创建好的透过率函数。
运行后,结果如下,效果较为理想,能很好地观察到中央主极大和次级大的宽度和位置。
7.传统矩孔衍射
若设置成矩孔衍射,单缝参数更改为
同时,光源参数也要大于单缝。
运行后,可以得到这样的实验仿真图像。
附
本篇由大创团队成员:唐艺恒、扶杨玉、黄一诺、李思潼、明玥共同完成。
本篇采用市面上流通比较广的试用版和7.6.1.18版本进行实验和演示,增强了适用性。
单缝衍射是衍射理论中很重要的实例,此篇为夫琅和费衍射。
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