基于激光擴束的泊松亮斑實驗方案

楊異秉 周旭孟

（寧波市效實中學，浙江 寧波 315000）

泊松亮斑是一種由于光的衍射而產生的光學現象.當單色光照射在小圓盤或小圓珠上時，會在之后的光屏上出現環狀的互為同心圓的衍射條紋，并且在所有同心圓的圓心處會出現一個極小的亮斑（如圖1），稱為泊松亮斑.［1］這個實驗現象證實了光具有波動性.有意思的是，最早計算得到這個結論的法國物理學家泊松本是想用“中心點的光穿過障礙物到達光屏”這個與常識相違背的結論來推翻光的波動說，結果反而證實了光的波動說，因此泊松亮斑實驗也是物理史上一次著名的反證實驗.［2］

圖1 泊松亮斑實驗示意圖

1 傳統方案

圖2所示為某高中物理課堂上演示泊松亮斑實驗的方案.用強磁磁化大頭針并固定于鐵架臺上，令其針尖吸住直徑約為6mm的小鋼珠，然后用氦氖激光器從4m遠處對準小鋼珠照射，可以在小鋼珠背后的投影屏幕上看到光的衍射形成的亮暗條紋（如圖3），其中心為一亮點——泊松亮斑，這個現象可由惠更斯—菲涅爾原理解釋.［1］

圖2 用激光照射小圓珠的方法演示泊松亮斑實驗

圖3 相應的衍射圖樣

該演示方案存在以下不足之處.

（1）小鋼珠直徑很小，而氦氖激光器需從遠處對準鋼珠照射，在課堂演示時調試難度較大，稍有偏差就可能得不到泊松亮斑圖樣，或者所得圖樣失真.

（2）小鋼珠直徑小，激光光束細，因此得到的泊松亮斑圖樣暗部面積較小，中央亮點不明顯.

（3）激光到小鋼珠、小鋼珠到光屏的距離大，對于教室空間有較高的要求.

2 改進方案

以上方案主要問題在于激光束太細，如果直接照射直徑較大的圓盤，將很難觀察到衍射圖樣，因此只能照射小鋼珠，而小鋼珠尺寸小，會導致衍射圖樣暗部面積小，亮斑不夠明顯.為了讓實驗效果更明顯，我們考慮利用凹透鏡和凸透鏡的組合先將激光擴束（如圖4），讓擴束后的光照射直徑較大的圓盤，得到衍射圖樣.

圖4 擴束鏡原理

圖5和圖6分別為200mW的激光未經擴束和經過擴束后，打在相同距離的屏幕上的光點比較.經過擴束后的光束變粗，可以照射尺寸較大的圓盤，得到更為明顯而清晰的衍射圖樣.我們用擴束激光從1m遠處照射直徑約19mm的1角錢硬幣（如圖7），得到的衍射圖樣如圖8所示.可以看到衍射圖樣中央有很明顯的泊松亮斑.

圖5 未經擴束的激光光點

圖6 經過擴束的激光光點

圖7 以一角硬幣替代小鋼珠作為障礙物

圖8 改進后的衍射圖樣

3 結語

利用擴束后的激光照射大尺寸圓盤的實驗方案相較傳統方案具有以下幾點優勢.

（1）障礙物尺寸增大，使得實驗裝置調試更為方便，可操作性強.

（2）大尺寸圓盤使得衍射圖樣中央陰影區域面積增大，中央亮點更為明顯.

（3）對教室空間沒有太高要求.

此外，擴束后激光橫截面積變大，可操作性更強，除了泊松亮斑實驗，還可以給學生演示各種形狀、各種邊界的障礙物在光照下的衍射圖樣，圖9為擴束激光照射相互緊靠的兩個鋼球得到的衍射圖樣.

圖9 光照射相互緊靠的兩個鋼球的衍射圖樣