下载:
-
在波动光学教学中光栅衍射是重要的内容，是多光束干涉和夫琅禾费单缝衍射两种效应的叠加.光栅设计相当精密，基于光栅原理的实验也常常用于对激光波长和光栅常数等的测量.而光学实验(包括光栅衍射实验[1-2]、光的偏振实验等)因为其对仪器的精密度要求较高且器件易损坏等特点，往往得不到理想的实验效果，需要进一步采取现代化的辅助教学手段提升大学生对相关光学知识的理解程度[3-5].
LabVIEW是一种程序开发环境[6]，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言存在很大区别：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式.在虚拟仿真这一领域里LabVIEW也有着独特的优势：①LabVIEW具有很好的人机对话界面和良好的接口，可以通过键盘和鼠标更改程序数据参数，操作结果可以在个人计算机显示屏幕上生成，编写程序具有极高的交互性，效果更加逼真，这是其他虚拟仿真难以达到的；②编程方式简单直观，采用图形G语言、图标等代替文本形式编写程序，是对具体编程问题的图形化的解决方式，具有层次结构和模块化的特点，因此使用者也极其容易上手，即使是编程基础薄弱的人也可以很快学会编程；③LabVIEW为检测程序错误提供了很大帮助，它可以设置断点，使程序中某一部分单独运行，从而更好地调试、修改程序.
目前LabVIEW在测试测量、控制、仿真、教育、快速开发和跨平台开发等各个领域内都得到了长足发展[7-14].特别地，基于LabVIEW开发环境设计的虚拟仿真实验由于具有成本低廉、交互性强和生动有趣等优点，近年来受到广泛关注.目前国外的相关技术开发已趋于成熟，并被各大高校广泛地运用于教学过程中.而国内各地高校也纷纷投入资源进行相关研发.其中，清华大学、复旦大学、南京大学、哈尔滨工业大学和西南大学等各大高校成功获批国家级虚拟仿真实验教学中心，在虚拟仪器平台建设方面走在前列.
光栅衍射实验是大学物理实验中非常重要的光学实验.本研究针对该实验教学过程中面对的各种疑难问题进行仿真开发，设计了多个实验模块，并展示了调试效果.该仿真系统能直观展示各种衍射实验现象，对教师在课堂演示中进行辅助教学，提升学生学习兴趣等均有显著效果.
全文HTML
-
实验装置见图 1，S为与纸面垂直的线光源，它位于透镜L1的焦平面上，屏幕放在透镜L2的焦平面上，与单缝衍射不同之处是用一系列等宽等间隔的平行狭缝代替了单狭缝.各缝的宽度为b，相邻两缝之间不透明部分的宽度等于a，则a+b=d称为光栅常量.它反映光栅的空间周期性，其倒数1/d表示每毫米内有多少条狭缝，称为光栅密度[15].
实验观察到的衍射图样的强度分布具有以下特征：
(1) 与单缝衍射图样相比，多缝衍射的图样中出现一系列新的强度极大值和极小值，其中那些较强的亮线叫作主极大，较弱的亮线叫作次极大；
(2) 主极大的位置与缝数N无关，但它们的宽度随N的增大而减小.其强度正比于N2；
(3) 相邻主极大之间有N-1条暗纹和N-2个次极大；
(4) 强度分布中保留了单缝衍射因子，那就是曲线的包迹与单缝衍射强度曲线形式一样.
-
在充分考虑到相关实验的重难点内容之后，本研究开发出该套虚拟仿真实验系统.如图 2所示，本虚拟仿真实验平台包含了多个光栅相关实验，通过切换选项卡能够选取不同的实验.在选项卡右上方有两个按钮分别为“光源开关”和“退出实验”，其中点击“光源开关”可以控制是否输入光源，即光屏上是否有强度图输出.点击“退出实验”可以结束并退出程序.
-
如图 2a所示，光栅仿真面板左上角能够模拟显示光栅结构，通过调节光栅参数b(缝宽)和d(光栅常数)，可以改变光栅结构，实验时，打开光源开关调节适当的b，d以及光栅缝数的参数值，同时调节面板左下角的旋钮可以控制入射光的波长.改变实验参数，能够在面板右侧光屏处观察衍射条纹强度、颜色等的变化规律以及对应的波形图变化规律.为了增加程序可读性使其更加简约美观，将主要功能模块封装为子Ⅵ并在主程序中进行调用，光栅仿真模块对应程序框图(图 2b).
-
衍射/干涉/光栅干涉选项卡如图 3a所示，同样左侧是b，d、缝数N以及光源波长λ的参数控制旋钮.右侧上方第1行分别对应是夫琅禾费单缝衍射波形图及强度分布图，中间第2行是多光束干涉的波形图和强度分布图.最下方一行对应的是光栅衍射的波形图和强度图分布图.设置一定的参数值，观测在相同参数下，夫琅禾费单缝衍射和多光束干涉以及光栅衍射的相同区别；了解干涉和衍射的区别与联系，观察光栅干涉衍射的缺级的现象.通过光栅干涉光强I分布公式，解释光栅干涉衍射现象.
2.1. 光栅仿真选项卡
2.2. 衍射/干涉/光栅干涉：
-
打开程序，选择光栅仿真，可看到模拟光栅衍射的面板，上面设有缝数N，b，d以及波长的调节，可通过设置不同的参数来观察衍射情况.举例说明：(参数可自行设置)
由光棚仿真演示结果可得到(表 1)：
1) 相邻主极大之间有N-1条暗纹和N-2个次极大；
2) 主极大的位置与缝数N无关，但它们的宽度随N的增大而减小.
-
当λ=463.1 nm，N=4，b=0.3 mm，d=0.6 mm时，令j为光栅衍射图样的主极大的级数，根据相关理论知识可以得到第j级谱线的振幅为[16]：
令k=±1，±2，±3，…为衍射最小值的级数，由(1)式就可以得到：若j>k，且当
$\frac{d}{b}=\frac{j}{k}$ 时$\sin \left( j\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }\times \frac{b}{d} \right)=\sin k\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ =0}$ ，这时Aj=0，即光栅衍射的振幅为零，在满足干涉光栅方程dsinθ=jλ等情况下，本该出现光栅谱线发生缺级的现象.图 4中入射光波长λ=463.1 nm，光栅的参数为N=4，b=0.3 mm，d=0.6 mm，通过计算j=
$k\frac{d}{b}$ =±2，±4，±6，…，应该会出现缺级，观察模拟结果可观察到：(1) 强度分布中保留了单缝衍射因子，即曲线的包迹与单缝衍射强度曲线形式一样；
(2) 在±2，±4，…处缺级.
这与理论计算一致.
事实上通过理论分析，单缝衍射、纯干涉，两者都是波的相干叠加的结果，只是参与相干叠加的对象有所区别.一般情况下干涉和衍射的作用时同时存在.光栅衍射的过程就可以理解为以衍射为主，衍射和干涉同时存在且相互叠加作用的过程.从模拟结果三者对比可以更直观地理解这一点.
3.1. 认识光栅衍射
3.2. 衍射干涉缺级对比
-
实验演示表明，本虚拟仿真实验系统能较好地模拟平面透射光栅相关实验内容.通过模拟实验操作，该系统较为直观地展示了平面透射光栅各种实验现象，并辅以相应的数据处理模块，能够加深学生对光栅衍射物理机制的理解，并能够帮助学生验证自己的实验结果.该系统无论是用于课前预习还是课堂演示教学等方面，都具有较好的教辅效果.