光栅衍射实验的误差分析及改进途径

光栅衍射实验的误差分析及改进途径 摘要：平行光未能严格垂直人射光栅将形成误差，常用的对称测盘法只能消除误差的一阶修正项，仍存在二阶修正项误差。采用测t最小衍射角的方法能有效地消除一阶、二阶修正项的误差，而且能观测到更高级次的衍射条纹，从而减少读数误差，提高实验精度。1光栅放置误差的理论分析当平行光与光栅平面法线成a角斜入射时的光栅方程为或 上两式中k，k的物理意义如下图所示。因此，如果光栅放置得不严格垂直于人射光，而实验测量时仍用公式(1) 进行波长、分辨率等物理量的计算，将造成实验误差。不失一般性，就方程(2)考虑人射角对测量结果的影。图1 平行光斜入射光栅将方程(2)展开并整理，得 （4）与(1)式比较可知，由于人射角不等于零而产生了两项误差，如果很小，第一项tan(k/2)sintan(k/2) x 可视为一阶小量，第二项2sin2/22/2可视为二阶小量，为方便计，称第一项为误差的一阶修正项，第二项为误差的二阶修正项。如果较大，则引起的误差不能忽略。进一步分析表明，在相同人射角的条件下，当衍射级次k增加时，k增加，由于tank是递增函数，因此一阶修正项增大，测量高级次的光谱会使实验误差增大;而误差的二阶修正项与衍射级次k和衍射角k无关。从测量理论来看，衍射级次k越高，衍射角k越大，估读k引起sink的相对误差越小，因为sink/sink = ctgkk，而ctgk是递减函数。另外角色散率dk /d= tank/因正比于tank而增大;角分辨率因正比于衍射级次k而增加。因此测量高次的光谱非但不增大二阶修正项的相对误差，反而能减小其它物理量的测量误差，而误差的一级修正项则与此矛盾。2减少误差的途径如果能测出值代入(4)进行计算，理论上能对光栅放置不精确而引起的误差进行修正。但作为教学型实验，人射角的测量有一定难度，而且从测量理论上考虑，应尽可能减少直接测量量的数目。考虑到第一修正项系数为奇函数，因此可以用对称测量的方法来消除，这也是通常实验所采用的。为此将(2)式和(3)式相加并两边同除2，得可见第一修正项已消除，但第二修正项仍然存在。如按对称测量方法，取左右两个衍射角的平均值，计算波长等物理量应该用公式(5)，而不能简单地把(k+k)当作k代人(1)式计算。比如波长几的计算，若不计第二修正项，则有因此，平行光不垂直入射引起波长测量的相对误差为其相对误差完全由人射角决定，与衍射级次k和衍射角k无关，而且对不同光栅，第二修正项误差都一样。其误差随人射角改变的理论计算结果如图2所示。图2 光栅放置未能使平行光垂直入射引起的误差我们在JJY型(测量精度为=1，光栅常数d = 1/300mm，待测光波长= 589.3nm)分光计上进行了测量，测量结果以散点形式在图2上标出，测量误差与理论计算误差相一致。当人射角=2时，理论计算误差为0.061%，实验测定误差为0.11%;人射角=4时理论计算误差为0.24%，实验测定误差为0.26%；人射角=30时，理论计算误差为15%，实验测定误差为14%；理论计算和实验测量结果都表明，当不垂直而偏离的角度较小时( 0，因此存在一个最小衍射角kmin ，此时光栅方程简化为正如找三棱镜最小偏向角一样，可以通过实验方便地测量出这一最小衍射角。即首先把望远镜的十字叉丝对准某一衍射级次的谱线，转动载物台带动光栅作微小转动，在望远镜中可见到光谱线跟随着光栅转动而移动，由此可确定最小衍射角的截止位置，记下此时的读数1，然后取走光栅，将望远镜对准平行光管，记下此时的读数2，则kmin=|2-1|。与通常的测量方法一样，只需两次读数就能测出波长等物理量，而且消除了第一、第二修正项引起的误差。因此，测量光栅最小衍射角，由方程(8)进行波长、分辨率等物理量的计算，不仅消除了一阶、二阶修正项引起的误差，而且还有另外一个优点，即增加光栅的衍射级次k，如实验室常用光栅，用对称测量法一般只能观测到二级衍射条纹，采用最小衍射角法，则能方便地观则到四级衍射条纹，因而增加kmin值，减少读数引起的相对误差，从而有效地提高测量精度。图3 最小衍射的测量3结束语 光栅衍射实验是测量精度比较高的普通物理实验，以波长测量为例，如果分光计的调整和光栅放置精确，则测量最大误差可由下式进行估算。取分光计的仪器误差作为测量角度的误差，光栅常数d通过测量某一标准波长为0的入射光的衍射角求得，则测量光栅常数d的误差为d/d二ctgk*k，所以可见，测量波长的相对误差随衍射角的增加而快速减小。以对汞灯光谱的绿光波长测量为例，对一、二级谱线，其衍射角分别约为933，和1923，取k =1，则/分别为0.24%和0.12%，但学生测量结果的相对误差大多超过1.0%，其主要原因在于分光计的调整和光栅放置不精确。我们将其改为测量三阶最小衍射角，结果实验精度在1.0%以内。因此测量最小衍射角法可以在学生实验推广使用。4讨论测量误差这种方法的主要误差在于用光强来判断两套莫尔条纹重合的光强测量精度。因此，提高测量精度的主要方法是提高光强测量精度或增加z2- z1之值。设由光强测量误差引起的位置误差为z ，则当光强测量精度为0.5%，则z=1.16mm，按照（15）式计算的值为0.28%。实际测量中常用不同K时