实验七 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。

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、 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： 220sin ϕϕθI I =（1）其中 ϕπλθ=a sin ，a 是单缝宽度，θ是衍射角，λ为入射光波长。

图1 单缝衍射参见图2，由（1）式可见：1、 当θ=0时，I I θ=0，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。

2、当sin (,,)θλ==±±K aK 12 时，I θ=0，为第K 级暗纹。

由于夫琅禾费衍射时，θ很小，有θ≈Sin θ，因此暗纹出现的条件为： θλ=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∆θλ02=a，其余各级明纹角宽度∆θλK a=，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：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I I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）整套系统外形图如上： 1．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．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．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=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》P223~P227；P325~P331的教学内容所设计。

4．CCD 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，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图3 组合光栅CCD 光强仪机壳尺寸为150mm ×100mm ×50mm ，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/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 采集卡的微机系统时，把开关打在“微机”位置，“同步”脉冲频率为1~5Hz ，“采样”脉冲频率为10~15KHz 左右。

“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。

“同步”的含意是“同步扫描”。

接电缆线蓝色插头。

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×11μm11μm28.67mm0.35~0.9μm 0.56μm信号光强 环境光强图5： LM 系列CCD 光强仪内部电路结构框图5．SB14数显示波器：SB14大屏幕数显示波器由9″—14″单色显示器和“SB14控制器”两件构成，作为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） 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。

、“同步”与图6： CCD 光强仪后面板各插孔输出波形1–SB14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 安装图图8 光强仪与SB14的连接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：（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。

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ΔX 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14μm ，LM601型为11μm ，LM801型为7μm ，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！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”。

图9 SB14示波器屏幕截图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>>2a/ 8，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He—Ne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：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。