2022年2022年光栅衍射实验 .pdf

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1、光栅衍射实验-光波波长的测量【实验目的】1. 观察光栅衍射现象，了解光栅的应用及其特性。 2. 测量汞灯不同谱线的波长。【课时分配与教学方法】实验共 3 个学时；讲解 25 分钟，演示约 5 分钟，其余时间为个别指导。【实验仪器】分光仪、全息透射光栅、光源（汞灯）、双面反射镜【实验原理】衍射光栅 是利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件，由大量相互平行、等宽、等间距的狭缝或刻痕所组成。由于光栅具有较大的色散率和较高的分辨本领，它已被广泛地装配在各种光谱仪器中。1821 年夫琅禾费创制了用细金属丝做成的衍射光栅，并且用它测量了太阳光谱暗线的波长。后来他又在贴着金箔的玻璃上用金刚石刻划平行线做成色

2、散更大的光栅。首创直接在玻璃板上刻制光栅的是诺伯尔（1806-1881） 。现在使用的光栅有透射式和反射式两种，多是以刻线光栅为模板，复制在以光学玻璃为基板的薄膜上做成的，也有用全息照相法制做的。理论知识准备1、相干光：两束振动方向相同、频率相同、位相相同或位相差恒定的光称为相干光。2、光栅方程：若以单色平行光束垂直照射光栅，通过每个狭缝的光都会发生衍射，这些衍射光又在一些特殊方向上被透镜会聚于焦平面上一点后，因干涉加强而型成各级亮线，如图 1，若衍射角为的光束经透镜会聚后互相加强，则角必须满足关系式,.)3,2, 1 ,0(,sinkkdk即光程差必须等于光波长的整数倍。式中为单色光波长，

3、k 是亮条纹级次，k为 k 级谱线的衍射角。此式称为光栅方程，它是研究光栅衍射的重要公式。3. 光栅的色散率： 角色散率 D（简称色散率） 是两条谱线偏向角之差和两者波长之差之比：D对光栅方程微分可有cosdkD名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 光栅在载物台上的位置S1，S2，S3为水平调节螺钉由上式可知，光栅光谱具有如下特点：光栅常数d 越小， 色散率越大； 高级数的光谱比低级数的光谱有较大的色散率；衍射角很小时

4、，色散率D 可看成常数，此时，与成正比，故光栅光谱称为匀排光谱。汞灯的光栅光谱示意图【实验步骤】1.分光计的调整：要求分光仪达到以下三点要求，才能用它进行精确的测量（a）平行光管发出平行光（平行光管的狭缝位于其物镜焦平面上）。 (b) 望远镜接受平行光（调焦于无穷远）。 (c)平行光管与望远镜“同轴等高”，载物台与仪器主轴垂直。2. 光栅调节 : (a)调节光栅平面垂直于平行光管. 调整好分光计，将光栅如图放置于载物台上，用望远镜观察光栅平面发射回来的亮十字，在轻微转动载物台，并通过调平螺丝S2或 S3使亮十字像与分划板上方的十字重合，此时光栅平面与平行光管光轴就垂直了。 (b) 调节光栅平面

5、与仪器主轴平行。左右转动望远镜观察汞灯衍射光谱，望远镜转至两边时，若左右两边名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 光谱线不在同一水平线上说明光栅刻痕与分光计旋转主轴不平行，调节调平螺丝S1，使两边谱线处于同一水平线上即可3. 测量汞灯K=1 级时各条谱线的衍射角: 测量汞灯光谱线的衍射角，为提高测量准确度，测量左右对称的+1 和-1 级谱线的夹角，取其一半做为衍射角。重复测量三次。4. 误差分析指南(a) 入射平行光不

6、垂直光栅平面而引入的误差。当入射光与光栅法线成 角时，对d=1/600mm 的光栅来说，=30相对误差可算出是0.16%，可见偏离角度不大时此误差可以忽略不计。(b) 如果把光栅放反了，即把涂着药膜的一面对着平行光管，相当于在光路中加了一层介质（如玻璃） ，由于介质的折射使衍射光线平移了一个距离，介质的两个面是平行的，那么透过介质后的衍射光线的角度不变，因此经望远镜后会聚后在分划板上的位置也不会改变，对实验结果没有影响。? 光栅常数是实验室准确给出的，故本实验的主要误差来源是衍射角的测量。复习思考题1、光栅方程和色散率的表达式中各量的物理意义及适用条件? 2、光栅光谱与棱镜光谱相比有什么特点?

7、 3、光栅常数相同，但刻痕数不同，对测量有无影响？4、当用钠光（ =589.0nm）垂直入射到一毫米内有100 条刻痕的透射光栅上，问最多能看到有几级光谱？5、当平行光管的狭缝很宽时，对测量有什么影响? 6、分光计主要由哪几部分组成？为什么说望远镜的调整是分光计调整的基础和关键？7、分光计在设计上是如何消除偏心差的？8、若在望远镜中观察到的谱线是倾斜的，则应如何调整? 9、为何作自准调节时, 要以视场中的上十字叉丝为准，而调节平行光管时，却要以中间的大十字叉丝为准? 10、本实验的相干光是如何获得的？撰写人：张旭2009 年 2 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -