实验1.10 菲涅耳直边衍射实验
1. 实验目的：
观察菲涅耳直边衍射现象与衍射图样，找出菲涅耳直边衍射的基本规律。认识通过刀口衍射产生不同空间频率光波的现象，为学习光学传递函数奠定基础。
2. 实验所需器材：
① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台； ② 刀片1片；
③ 点状650nm波长半导体激光器1只； ④ 15mm焦距的凸透镜1片； ⑤ 磁性表座2只； ⑥ 二维调整架1只； ⑦ 像屏1个；
⑧ 面阵CCD相机1个；
3. 实验内容：
搭建菲涅耳直边衍射实验装置，观察菲涅耳直边衍射图样，分析直边衍射图样中各个空间频率分量。
4. 实验原理：
图1.10-1菲涅耳直边衍射原理图
图1.10-2 刀口衍射图样
如图1.10-1所示，半导体激光器经扩束镜发出的发散光S，通过直边（刀片的刀口）图 中D传播时将在接收屏得到一幅如图1.10-2所示的衍射图样。图中N表示刀片的刀口临界点，P为刀口在屏上的投影点。
对于刀口几何投影点P，直边屏D将下部的波面遮拦，只有上部对P点起作用，所以P点的振幅为不遮拦的一半，而光强度是不遮拦的1/4。
当P到P点的距离逐渐拉大时它的光强将出现按菲涅耳衍射规律变化，而P点以下P”逐渐远离P点后光强呈单调减弱之势，最终光强度趋近于零。
从图1.10-2刀口衍射图样中也可以看出，衍射图样发生在P点的上方，下方的光强度逐渐降低至零。
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、
5. 实验步骤：
图1.10-3 菲涅耳直边衍射实验装置
图1.10-3中1为半导体激光器，2为扩束镜，3为扩束镜的二维调整架，4为刀片刀口，5为干板架，6为接收屏、7、8、9和10为磁性表座。
1）在光电综合实验平台的光学台面上按图1.10-3所示搭建菲涅耳直边衍射实验装置； 2）将其调整为共轴系统； 3）开机，观看衍射图样；
4）适当调整屏的位置，观看衍射图像的变化；
5）用面阵CCD相机将其屏上的衍射图样采集到计算机内存并进行处理。
6. 实验报告
（1）将观察的结果记录到实验报告中；
（2）衍射图样中能够分析出它们的空间频率的变化吗？
7. 结束与关机
1、将所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新作上述实验；若合理，可以关机；
2、先退出计算机软件，关掉计算机电源，再将实验平台的电源关掉；
3、最后，将所用的配件放回配件箱；将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。
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第2章 光电技术实验
实验2.1 光源与光度辐射度参数的测量
1. 实验目的：
通过用棱镜、光栅等器件对发白光的LED（发光二极管）发出的光进行分光的测量和对光电综合实验平台上所用光源发出光进行照度测量的实验。学习光本性的基本常识，巩固“光电技术”教科书中第一章关于光的度量内容，并掌握光电综合实验平台所用光源的发光特性；通过对光源照度的调节与测量，熟悉进行光电实验过程中所用数字仪表使用方法，为后面实验做技术准备。
2. 实验仪器：
① 光电综合实验平台主机系统1台； ② 60°分光棱镜及其夹持装置各1个； ③ 焦距f =50mm的透镜及其支架1只； ④ 1200条线/mm光栅及其夹持装置各1个；
⑤ 发白光的LED平行光源（远心照明光源）及其夹持装置各1个； ⑥ 可调狭缝及其夹持装置各1个； ⑦ 像屏及其夹持装置各1个； ⑧ 磁性表座4个；
3. 实验原理：
白光是各种颜色（波长或频率）的光谱能量积分形成的复合光。而棱镜，特别是三棱镜具有将白光分解成各种颜色单色光的特性。测量各种波长单色光的照度等参数对光本质的认识将更进一步。在实际应用技术中常用到单色光源所具有的特性提高非接触测量与控制的精确度，各种光电器件对不同波长的光有不同的响应，光电器件光谱响应特性的测量也离不开单色光源。因此，掌握光源参数的测量方法和分光方法对今后学习光电技术是非常重要的。
首先讨论棱镜及其分光原理。 （1）棱镜的分光原理
典型的三棱镜如图2.1-1所示，它由三个工作面构成，工作面之间互成α角， 它的横截面（主截面）如图2.1-1(b)所示。当一束白光以入射角I1进入棱镜的B点时，将以出射角I'1在三棱镜内射到对面的D点，即BD光线以入射角- I2入射到D点，而后，又以出射角-I'2射出（DE）。显然，出射光AB较入射光DE偏转了δ角，通常将δ称为偏向角。
根据“应用光学”所提供的公式
??I2??I1nsincos122 （2.1-1）sin(???)?
?I?I2cos122式中，n为玻璃材料的折射率；?为棱镜的折射角；I1、I'1、I2、I'2分别为光线在两个折射面的入射角和折射角。
由上式可知，光线经棱镜折射以后，所产生的偏向角?是I1，?和n的函数。对于给定的棱镜（?和n为定值），当入射光为单色光(λ为带宽极窄的单值)时，?角仅随I1变化。可
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以证明当入射光线和出射光线对称于棱镜的法线时，即满足I1=﹣I'2，I'1=﹣I2时，偏向角?有最小值，常用?m表示。在最小偏向角的情况下，式（1-1）可以写成
sin(???m)??nsin （2.1-2） 22另外，光学玻璃材料的折射率n不但与材料性质有关而且与入射光波长λ有关。工程光学中给出了光学色散的基本公式（哈特曼公式）指出
n?n0?C/(?0??)? （2.1-3）
式中，n0、C、λ0、和α为与材料折射率有关的系数。对于折射率较低的玻璃材料α值可取
为1，对于高折射率材料，α值取为1.2。系数n0、C、λ0可由玻璃材料的参数表中查到。
由上述分析可以得出，以一定角度入射到三角棱镜的白光光线在它的出射面将得到不同颜色的光带，即三角棱镜使白光分成各种波长（颜色）的单色光。这个现象称为棱镜的分光效应。
因为单色光的波长越长折射率越小，波长越短折射率越大。因此，含有丰富光谱的白光经三棱镜折射后被分解成一族单色光带。即以一定入射角入射到三棱镜的白光，在棱镜的出射面形成如同彩虹似的彩带，其颜色排列顺序为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。越靠近棱镜底部，单色光的波长越短，而越远离棱镜底部，单色光的波长越长。这种将白光分成各种颜色单色光的现象称为色散。利用色散将含有丰富单色谱线的光信息分解为各种单一波长的光谱信息以便分析发光体的化学成分，即进行光谱分析。因此，棱镜色散还是光谱分析的基础。
棱镜能够分光，但是分光效率较差，为了提高分光效率，可以将多个棱镜并列起来进行分光，光栅实质上就是每毫米几百个棱镜的集成，所以分光效率显著提高。 （2）LED的发光原理
光电技术中的光源已经逐渐被LED发光二极管光源所替代。LED发光二极管为PN结在正向偏置下发光的特性。有些材料构成的PN结在正向电场的作用下，电子与空穴在扩散过程中要产生复合。复合过程中电子从高能级的“导带”跌落至低能级的“价带”，电子在跌落过程中若以辐射的形式释放出多余的能量，则将产生发光或发辐射的现象。如图2.1-2所示，为注入式LED能带结构，扩散运动中的电子从导带跌入到价带时以辐射的方式释放出多余的能量。它将发出峰值波长λm的辐射
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?m?hc （2.1-4） Eg式中，Eg为半导体材料的禁带宽度。
目前，已有发各种“单色”光谱的发光二极管（LED）。若在发蓝光的发光二极管上涂荧光物质，由于蓝光LED的光谱能量很强，荧光物质将其转换成含有各种光谱成分的光谱集合，表现为发出复合波长的“白光”。常称其为白光发光二极管。
如图2.1-3所示，LED发光二极管发出的光亮度L与流过LED的电流强度I成正比。因此，可以通过控制电流来控制（或调整）发光二极管的亮度，即可以通过改变发光管的电流改变投射到探测器表面上的照度，这就是LED光源具有的易调整性。利用它的易调特性很容易设计出电光调制器，光纤通讯技术中常用LED的这个特性实现长距离的通讯。
另外，发光二极管属于半导体发光光源，它具有体积小、发光效率高、寿命长、发光强度易于调节等特点，被广泛应用于测量仪器与照明灯的光源。也被我们选为光电实验平台的光源。 （3）光度参数与辐射度参数
参见“光电技术”、“光电传感器应用技术”等教材第1章的内容，光源发出的光或物体反射光的能量计算通常是用“通量”、“强度”、“出射度”和“亮度”等参数，而对于探测器而言，常用“照度”参数。测量探测器表面的照度是十分重要的问题，许多实际问题常需要通过对照度的测量来分析或计算其他参数。为此主要讨论照度参数。
辐照度或光照度均为单位探测器表面所接收的辐射通量或光通量。即
Ee?e（W/m2） （2.1-5）
S或
?Ev??vS （lx） （2.1-6）
式中S为探测器的面积。上式也是通过测量照度来测量光源功率的公式。
4. 实验内容：
1） 棱镜对“白光”的分光特性；
2） 光栅对“白光”的分光特性； 3） 比较两种分光元件的分光特性； 4） 掌握分光光谱的分布规律；
5） 测量远心照明光源在不同位置上的照度；
5. 实验步聚：
1) 棱镜分光实验 ① 认识实验所用器件
从光电综合实验平台备件箱中取出如图2.1-4所示的分光棱镜、棱镜安装调整机构、发
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