基于激光扩束的泊松亮斑实验方案

杨异秉 周旭孟

（宁波市效实中学，浙江 宁波 315000）

泊松亮斑是一种由于光的衍射而产生的光学现象.当单色光照射在小圆盘或小圆珠上时，会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹，并且在所有同心圆的圆心处会出现一个极小的亮斑（如图1），称为泊松亮斑.［1］这个实验现象证实了光具有波动性.有意思的是，最早计算得到这个结论的法国物理学家泊松本是想用“中心点的光穿过障碍物到达光屏”这个与常识相违背的结论来推翻光的波动说，结果反而证实了光的波动说，因此泊松亮斑实验也是物理史上一次著名的反证实验.［2］

图1 泊松亮斑实验示意图

1 传统方案

图2所示为某高中物理课堂上演示泊松亮斑实验的方案.用强磁磁化大头针并固定于铁架台上，令其针尖吸住直径约为6mm的小钢珠，然后用氦氖激光器从4m远处对准小钢珠照射，可以在小钢珠背后的投影屏幕上看到光的衍射形成的亮暗条纹（如图3），其中心为一亮点——泊松亮斑，这个现象可由惠更斯—菲涅尔原理解释.［1］

图2 用激光照射小圆珠的方法演示泊松亮斑实验

图3 相应的衍射图样

该演示方案存在以下不足之处.

（1）小钢珠直径很小，而氦氖激光器需从远处对准钢珠照射，在课堂演示时调试难度较大，稍有偏差就可能得不到泊松亮斑图样，或者所得图样失真.

（2）小钢珠直径小，激光光束细，因此得到的泊松亮斑图样暗部面积较小，中央亮点不明显.

（3）激光到小钢珠、小钢珠到光屏的距离大，对于教室空间有较高的要求.

2 改进方案

以上方案主要问题在于激光束太细，如果直接照射直径较大的圆盘，将很难观察到衍射图样，因此只能照射小钢珠，而小钢珠尺寸小，会导致衍射图样暗部面积小，亮斑不够明显.为了让实验效果更明显，我们考虑利用凹透镜和凸透镜的组合先将激光扩束（如图4），让扩束后的光照射直径较大的圆盘，得到衍射图样.

图4 扩束镜原理

图5和图6分别为200mW的激光未经扩束和经过扩束后，打在相同距离的屏幕上的光点比较.经过扩束后的光束变粗，可以照射尺寸较大的圆盘，得到更为明显而清晰的衍射图样.我们用扩束激光从1m远处照射直径约19mm的1角钱硬币（如图7），得到的衍射图样如图8所示.可以看到衍射图样中央有很明显的泊松亮斑.

图5 未经扩束的激光光点

图6 经过扩束的激光光点

图7 以一角硬币替代小钢珠作为障碍物

图8 改进后的衍射图样

3 结语

利用扩束后的激光照射大尺寸圆盘的实验方案相较传统方案具有以下几点优势.

（1）障碍物尺寸增大，使得实验装置调试更为方便，可操作性强.

（2）大尺寸圆盘使得衍射图样中央阴影区域面积增大，中央亮点更为明显.

（3）对教室空间没有太高要求.

此外，扩束后激光横截面积变大，可操作性更强，除了泊松亮斑实验，还可以给学生演示各种形状、各种边界的障碍物在光照下的衍射图样，图9为扩束激光照射相互紧靠的两个钢球得到的衍射图样.

图9 光照射相互紧靠的两个钢球的衍射图样