衍射光栅光强理论分析及实验研究_刘甲.pdf

第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 2023112衍射光栅光强理论分析及实验研究*刘甲（山西科技学院通识教育学院，山西晋城048000）摘 要：利用激光器和 20 线/mm 的透射光栅，借助光功率测定仪和手机应用软件 Phyphox 测量光栅衍射谱线光功率的大小，绘制了光强分布曲线，并和理论值进行了比较，很好了验证了理论的可行性，在理论和实验教学中有一定的参考价值。通过此实验加深了对光栅方程、菲涅耳积分法和半波带法等相关理论的理解，同时也拓宽了手机传感器应用的范围。关键词：衍射光栅；光强；手机传感器中图分类号：O43 文献标识码：A 文章编号：1003-7551(2023)01-0112-030引言光栅是由大量等间距、等宽度的平行狭缝组成的光学元件，常用的光栅元件是在一块玻璃片上刻画很多等间距、等宽度的平行刻痕，广泛应用于光谱分析、测量发光物质各谱线的成分、分析物质结构等。光栅衍射规律的研究不仅在工业上具有重要的意义，同时光栅衍射的理论分析和实验研究也是大学物理教学中很重要的内容，在理论和实验教学中对光栅衍射谱线的位置和成分进行了很有效的研究，如光栅衍射中各点光强分布规律的理论研究、利用分光计测量低压汞灯各谱线的衍射角，计算波长或光栅常量等，但在测量光栅衍射光强分布规律等相关实验很少涉及。1实验原理光栅衍射条纹的光强分布是受单缝衍射调制的多光束干涉的光强分布，光栅衍射各级明条纹强度的包络线与单缝衍射强度曲线相类似。N缝干涉光强分布：IIN=|02sinsin其中，=d sin/表示衍射角，表示总光强，I0表示光栅常量，表示入射光波长。图 1多光束干涉光强分布图收稿日期：2022-12-07*基金项目：山西省高等学校教学改革创新项目（J20221594）通讯作者：第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 2023113单缝衍射光强分布：II=|02sin其中=asin/，a 表示缝宽，表示衍射角。单缝衍射光强分布：图 2单缝衍射光强分布图缝光栅衍射光强分布：IIN=|022sinsinsin图 3光栅衍射光强分布2实验装置He-Ne 激光器，光功率测定仪，20 线/mm 透射光栅，手机（荣耀 70）。3实验内容本实验采用传统的实验方法（光功率测定仪）和手机 App Phyphox 来测量，并与理论值进行比较。采用光功率测定仪，其中光功率测定仪测量点与激光器相距 1.1 米，光强分布图为：图 4光栅衍射光强实验值分布图第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 2023114图 5光栅衍射光强理论值分布图用手机传感器来测量曝光值（光强）：打开应用软件 Phyphox，判断传感器的位置，通过不透光圆形纸板（直径大约为 5mm）遮挡手机顶端相应位置，当曝光值为 0 勒克斯时，就可以断定此处为光传感器位置，如图所示。图 6APP 操作示意图（2）用手机替换光功率测定仪，测量光强，其光强分布图为：图 7测定仪测量光强分布图4实验结论本实验通过光功率测定仪测量了点光源光栅衍射的光强分布，并绘制了相对光强分布图，与理论值进行了比较，发现相对光强分布符合理论值的分布规律；同时利用手机应用软件 Phyphox 测量光强分布值也进行了尝试，测量数据基本符合理论值的光强分布规律，但在准确度方面比光功率测定仪差，只能作为光强强度定性研究的工具。因此在课堂上手机应用 Phyphox 可以作为不错的演示实验展示工具，在教学能极大地调动学生学习的积极性，提高课堂效率。参 考 文 献1 赵近芳,王登龙.大学物理学(第 6 版下册)M.北京:北京邮电大学出版社,2021:142-145.2 曾建华,彭亦平,赖徽媛,等.夫琅禾费光栅衍射的 Matlab 仿真及分析 J.上饶师范学院学报,2019,39(03):26-30.3 刘钰薇.用于激光等离子体 X 射线诊断的单级衍射光栅研究 D.绵阳:西南科技大学,2015.